Самодельный индукционный нагреватель. Как сделать индукционный нагреватель своими руками? Старинные индукционные нагреватели
На результаты этой статьи потратилось почти год, ну и денег ушло не мало, поэтому просьба перед тем как делать выводы от первых строк дочитать до конца - очень многие вещи станут понятны.
Все началось с того, что назрела тема замены отопления дома. Газ это конечно хорошо, но котел у нас довольно старый и менять его не хочется - он с плавной регулировкой поддрежания температуры, а современные - дискретные, т.е. у них нет горения в половину или в 1/4 четверть от максимума, а чем о плавнее регулировка, тем экономней любой обогреватель. Да, экономия не большая, но даже 200-300 рублей экономии я могу потратить уже по своему усмотрению, а не оплачивая газ.
Ну как положено все началось с поисковика. Вбиваю поисковый запрос "Индукционный котел" и начал изучать найденные страницы... И пришлось серьезно задуматься...
Прежде всего смущал бред, которым пестрели страницы с описанием индукционного котла, принципа индукционного нагрева и убожеством схем управления. Можете проверить сами набрав в поисковике ИНДУКЦИОННЫЙ КОТЕЛ СВОИМИ РУКАМИ или ИНДУКЦИОННЫЙ КОТЕЛ ЧЕРТЕЖИ. Почти на всех страницах ссылки на видео, где мужик в ванной комнате сует за теплообменник индукционную печку и счастливо вещает о том, что все готово, подло умалчивая о том, что в печках предусмотрено автовыключение и перезапуск печки он делает каждые 2-3 часа.
На одной из страниц пропагадирующих индукционные котлы была изложена откровенная паранойя, не удержусь и процитирую:
ТЭН нагревается от того, что через его проводник с повышенным сопротивлением протекает ток, поэтому в любом случае он нагревается до заданных 600 - 750* С и теплоноситель на его поверхности всегда кипит. Из-за этого ТЭН быстро обрастает накипью. От этого теплоотдача уменьшается, и ТЭН в конце концов перегорает.
В индукционном котле можно использовать разные теплоносители, даже нефтепродукты, если их не перегревать свыше 70* С.
ЧЁЁЁ??!!! 600-750 градусов?!
Ладно, берем масленный обогреватель, выкидываем термостат и греем до максимума, преддварительно помолясь, чтобы его не разорвало. Разумеется, что лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать. Итак СМОТРИМ
Итак, температура спирали 421 градус при температуре радиатора 168 градусов и это с учетом того, что внутри масло, а его теплопроводность хуже воды в 5 раз. Откуда интересно тога берется 600-750 градусов?
Так, на всякий случай, температура прлавления алюминия 660 градусов, меди 1100. Впрочем я знаю откуда - у некоторых нихромовых сплавом максимальная рабочая температура 750°С, но вот будет ли она достигнута есть великие сомнения.
ТЭН обрастает накипью? Да еще и фотку притулили?
Мда...
Охо-хоюшки хо-хо... Для тех кто не в курсе - это тэн от стиральной машинки и в свое время я их менял довольно часто, потому как работал в ремонтной мастерской. Итак, это страшное слово НАКИПЬ:
Накипь – это твердые кальциевые отложения, которые плохо растворяются и образуются в результате образования пара или нагрева воды. Кроме известкового налета, при разогреве воды еще образуется углекислый газ. Но его количество имеет значение, только в промышленных масштабах работы с жесткой водой. Так в котельных, при очистке от накипи котлов нужно обязательно проветривать помещения, но и при кипячении воды также нужно обеспечить в помещении хорошую вентиляцию.
Образование накипи в процессе разогрева воды происходит всегда, если вода жесткая. Только вот накипь может быть разной, т.к. жесткость воды может быть не обязательно карбонатной. Понятно, что причина образования накипи карбонатной являются соли кальция и магния. В случае, если образование накипи происходит за счет силиката кальция, то накипь получается сульфатной. Кремнекислые соединения таких веществ, как железо, алюминий или кальций приводят к образованию накипи силикатной. Так, что образование накипи после работы с жесткой водой не означает, что выпала именно карбонатная накипь. Хотя следует уточнить, что карбонатная накипь самая распространенная.
Ха! Из этого не трудно сделать вывод, что накипь поставляется лишь с новой порцией воды, а воду в системе меняют крайне редко и этот самый слой накипи образуется лишь раз и по немногу утолщается с каждой новой порцией воды, а доливают воду в систему тоже не часто. Следовательно до состояния показанного на фото тэн котла дойдет примерно через 20 лет после того как сгниют алюминиевые радиаторы, поскольку накипь оседает не только на теле тэна, но и на тела самого котла, меньше, но все равно оседает.
И кстати сказать избавится от накипи в отоплении вполне возможно - 100 грамм антинакипиа в системе полностью ликвидируют эту проблему - проверено эксплуатацией электрокотла в течении трех отопительных сезонов.
Но возвращаемся к рекламе индукционных котлов:
В ТЭН- котлах можно использовать теплоносителем только воду и к тому же лучше всего дистиллированную.
В обслуживании ТЭН- котлы менее практичные, чем индукционные, потому что переходной контакт между проводником электроснабжения и проводником самого ТЭН- а постоянно перегретый, из-за этого окисляется и ослабляется. Необходимо постоянно следить за тем, чтобы проводник электроснабжения не отгорел в противном случае при отгорании - может быть повреждено резьбовое соединение ТЭН- а и такой рабочий нагревательный элемент приходится менять. этой проблемы в индукционных котлах не существует, потому что связь его нагревательного элемента с электроснабжением осуществляется через электромагнитное поле переменного тока.
Ну да, конечно, конечно. А катушка индуктора к розетке по беспроводной технологии присоединяется? КРУТО! Чаще всего отгорание происходит в точках соединения при больших нагрузках и не прерывной круглосуточной работе, так что как то не убедительно звучат перегретые контакты... Ладно, чё там дальше?
Индукционные котлы можно ставить в любом, даже не в обособленном месте. Они пожаробезопасны и работают бесшумно.
Ага!!! А тэн скате внутри котла постоянно стукаясь о стенки своей башкой и от этого в помещении вообще находится не возможно?
Индукционные котлы обеспечивают электрическую безопасность человека гораздо высшую, чем ТЭН- котлы, потому что сам ТЭН может перегорать двояко: а) с разгерметизацией корпуса; в этом случае разогретый нихром от попадания на него воды рассыпается - опасности попадания человека под напряжение нет; б) без разгерметизации корпуса; в этом случае разогретый нихром может прилипнуть к корпусу ТЭН- а. Нагревательный элемент продолжает работать, и через воду металлический корпус котла оказывается под напряжением.
Вполне логичный аргумент, если котел монтировать с нарушениями правил безопасности - любой силовой прибор должен быть заземлен. А дурака и батарейкой убить может, ну если с рогатки и в голову.
Индукционную катушку индукционного котла при мощностях 3 КВт и больше на 50 Гц маленькой и компактной сделать пока что не удается. Поэтому ТЭН- котел имеет намного меньшие габариты при той же мощности, чем индукционный котел.
Дак и не удасться ни когда - частота низкая, всего то 50 Гц, а нужна определенная индуктивность, да еще проводом, чтобы сам не грелся при прохождении через него этих самых 3 кВт. Так что индукционный котел всегда будет большиим.
Ну а принципиальные схемы индукционных котлов это вообще нечто. На одном из сайтов предлагалось использовать вот такую схему для индукционного котла:
Реально довольно долго улыбался - при питании 10...30 вольт они собираются разогревать котел? Да блок питания для этой пукалки будет вырабатывать тепла больше, чем эта игрушка для детей среднего школьного возраста.
Не скрою попался и один довольно любопытный вариант схемы на тиристоре, но работа на звуоквых частотах не привлекла моего внимания.
Одна из рекламных речевок буквально расмешила:
Экономия на потреблении электричества
Потребление 2,5 кВт вместо 4–5 - прекрасный результат. Но его оказалось недостаточно для амбициозных и бережливых домашних мастеров. Но где взять дешёвую электроэнергию для плиты? Оказывается, ответ известен давно.
Этот прибор называется инвертор, и он преобразовывает постоянный ток в переменный. С его помощью можно свести потребление тока для отопления практически к нулю.
Для уменьшения расхода энергии нам понадобится следующее:
Два аккумулятора не менее 190 А час (лучше 250 А час).
Инвертор на 4 кВт.
Зарядное устройство для аккумуляторов (24 В).
Трубы магистрали должны быть выполнены из немагнитного материала (пластик, алюминий, медь).
Аккумуляторы подключаем параллельно и ставим на постоянную «зарядку». Процесс, который происходит в электроцепи:
В аккумуляторах образуется постоянный ток, который подаётся на инвертор.
Инвертор преобразует постоянный ток в переменный 220 В.
Ток с инвертора подаётся на индукционную печь, которая работает в обычном режиме (расход).
Зарядное устройство постоянно подзаряжает аккумуляторы.
Честно, это цитата из интернета и на кого она расчитана я даже не представляю.
В общем реклама индукционного котла разочаровала, но все равно смущение осталось - производители на перебой утверждали, что индукционный котел имеет гораздо большую производительность по сравнению с тэновым. Вот на этот крючок я и попался - производительность котла это по сути довольно не плохая экономия по свету.
Делать сразу индукционный котел решительности не хватило, поэтому решил попробовать для начала собрать индукционную батарею отопления. Первое, что просилось само в руки - индукционная печка, но на тему ее покупки договоренности с жабой не образовалось, поэтому найдя в интернете схему индукционной плиты из нее была вычленена силовая часть, которая и была собрана.
У этого же продавца сразу заказал IRFPS37N50 , будто чуял че то не хорошее. Да и доставка в этом варианте обошлась сравнительно не дорого - два заказа, а оплата доставки одна.
В общем наигравшись в доволь с однотактником я пришел к выводу, что штука то хорошая, но малейшая ошибка при регулировке убивает силовые транзисторы. Поэтому решил пойти другим путем - попробовать собрать двухтактную схему индукционного обогревателя, благо мощные полевики уже были на руках. Не много поразмышляв я решил использовать полумостовой драйвер IR2153, а чтобы он не убился тяжелыми затворами умощнил его эмиттерными повторителями на 1,5 А. В результате получилась следующая схема:
Идея была довольно проста - пленочные конденсаторы большие токи держат не очень хорошо, поэтому их использовать несколько штук, а если их будет несколько штук, то можно будет подобрать емкость таким образом, чтобы получившийся LC контур загнать в резонанс и получить максимальные магнитные поля.
В качестве теплообменника было решено использовать квадратную трубу - площадь теплообмена и снаружи и изнутри, а это естественно только на руку.
Были подозрения, что электроника будет сильно греться, поскольку на однотактном варианте приходилось использовать обдув радиатора. Ну а чтобы поток воздуха за зря не гонялся было решено использовать его в качестве и конвекционного потока - через трубу направить внутрь квадратной трубы теплообменника, тем самым увеличив производительность конструкции.
Расположение катушек между регистрами теплообмена полностью их экранирует, что не позволяет высокочастотному электромагнитному излучению вырваться нагружу, ведь это не только вредно, но еще и снижает КПД данного девайса. Ну а чтобы в случае повреждения изоляции самого провода катушки не коснулись теплообменника был использован гофрированный картон пропитанный эпоксидным клеем. Можно было использовать и стеклоткань, но такого большого куска под руками не оказалось.Закрепить катушки можно и на герметик, в принципе главное, чтобы они довольно крепко держались даже при падении обогревателя. Хотя конечно уронить такую штуку, если только во время транспортировки - тяжелая игрушка получилась, но ее не на себе носить, поэтому о весе вообще размышлений не было. На концы катушек были одеты высокотемпературные кембрики - не термоусадка, с стеклоткань, она значительно дороже термоусадки и выглядить как материал. Разумеется, что круглые катушки имеют бОльшую добротность, но мне было необходимо расположить катушку таким образом, чтобы она производила нагрев ВСЕЙ площади теплообменника. Именно поэтому были изготовлены две прямоугольные катушки. Две, потому что имелаьс возможность их либо последовательного, либо параллельного включения, а это расширяло вероятность попадания в резонанс - какая индуктивность получится в финале я представления не имел.
Был сделан чертеж, распечатан на бумаге, приклеен скотчем к листу ДСП, по углам были просверлены отверстия, в котрые были вставлены гвоздики. На гвоздики предварительно одеты кусочки термоусадочной трубки и на этом шаблоне были намотаны катушки. После намотки катушки были пролиты эпоксидынм клеем и прогреты феном для лучшей пропитки жгутов из многожильного провода, которым и были намотаны катушки. Использовался провод диаметром 0,35 мм, в жгуте было 28 жил. Делал позже еще катушки и промызывал их герметиком - уж больно они какие жидкие получились, хотя деражались довольно не плохо.
Дальше все это было собрано в один аппарат и отрегулировано. Как выяснилось в отличии от однотактного варианта силовые транзисторы при том же радиаторе в обдуве не нуждались, однако вентилятор все таки был оставлен - с ним гораздо лучше идет теплообмен. Однако обороты были снижены до минимальной слышимости - так и ресур у него будет больше, меньше пыли нагонит внутрь, да и гудением не будет раздражать.
После сборки естественно нужно было сравнить что собственно выгодней - масленик или индукционник. Было проведена целая куча замеров, но каждый раз индукционник по отношению к масленику оказывался в выигрыше, что довоольно сильно бесило зрителей с Ютуба. Да, конечно некоторые замеры были не совсем корректны, но последняя серия практически критик не вызвала, хотя мнения о том, что я не учился в школе и закон сохранения не знаю все равно мелькали. Да я собственно и не покушался на этот закон - речь идет о производительности и не более того.
В общем последние замеры были сведены в таблицу по результатам которой уже сами делайте выводы, что выгодней.
НАГРЕВ НЕ БОЛЬШОГО ПОМЕЩЕНИЯ ДО ТЕМПЕРАТУРЫ 40°С |
|||
Израснодовано кВт |
Средняя скорость ветра |
Средняя температура на улице |
|
| Масленный обогреватель | |||
| Индукционный обогреватель | |||
ПОДЕРЖАНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ В ТОМ ЖЕ ПОМЕЩЕНИИ В ТЕЧЕНИИ СУТОК |
|||
| Индукционный | |||
| Масленный | |||
| Конвекционный | |||
| Два масленика | |||
БОЛЕЕ ПОДРОБНО О ПОГОДЕ |
|||
 |
|||
Совсем подробно о том, что и как делалось показано в видео. Показано ОЧЕНЬ подробно поэтому это больше полутора часов времени, так что запаситесь попкорном.
Тут же начали появляться вопросы типа "А не могли бы Вы собрать мне плату управления?" Да мог бы конечно, но вот только есть два ньюнаса:
Это дорого, потому что приходится делать платы вручную, ПОЛНОСТЬЮ вручную, поскольку очереди на сией девайс я не вижу и заказывать платы на заводе с минимальной партией 10 штук мне нет необходимости. А изготовление платы это и утюжка и ручное сверление, и лужение, т.е. довольно много времени, которое я не могу просто взять и подарить - срок жизни знаете ли ограничен и тратить ее на что то, что мне не интересно и не взяв за это деньги просто глупо.
Вероятность довести до ума сию конструкцию у не подготовленного паяльщика не очень велика, поскольку кроме платы требуется еще и индуктор, а это катушки количество витков в которых напрямую зависит от способа их соединения, толщины стали и расстояния между катушкой и сталью.
В общем я решил избавить себя от пустой болтовни на эту тему и снял видео с рекомендациями об изготовлении индукторов и если у кого то появляется желание приобрести плату я просто отправляю смотреть его это видео с вопросм "А сможете проделать так же?". Ряды покупателей таят как снег во время дождя...
Результат соревнований индукционного оборгевателя и масленного конечно же впечатлил и идея сборки индукционного котла засела ОЧЕНЬ плотно в голове. Первое, что нужно было решить - какой индутор собрать. Разумеется, что в отличии отечественных индукционных котлов я собирался делать его не на 50 Гц. А для этого уже нужны были более серьезные конденсаторы - уж больно много в интернете фоток разорвавшихся пленочников. Поэтому и были заказны конденсаторы для индукционных плит - уж они то точно выдержат и ток и напряжение. Для подавления импульсных помех по питанию были заказаны конденсаторы и создания резонанса были приобретены конденсаторы серии MKP, которые используются в индукционных плитах. По питанию я брал на 5 мкФ и 3 мкФ, для индуктора на 0,27 мкФ. Там, где покупал я уже вывеска, что товар не доступен, поэтому выбирайте сами КОНДЕНСАТОРЫ MKP .
Еще одним фактором для создание индукционного котла послужило их серийное производство, правда не наше, а более компактоное и высокочастное - Китайские индукционные котлы мощностью 6 кВт и 10 кВт . Правда было понятно из фоток, что Китайцы уперлись в максимальную мощность 3 кВт с одной секции нагревателя, поскольку использовали однотактыне преобразователи - это видно из наличия двух и трех одинаковых плат управления с принудительной вентиляцией. Используя двухтактный мостовой инвертор я расчитывал получить 4-5 кВт с одной секции, а учитывая то, что силовая часть может обслуживать 2 секции индуктора, то проблем с мощность вообще не намечалось.
Почему ограничена мощность индукционного котла? Все довольно банально - для получения резонанса необходима определенная индуктивность. Если резонанс будет на звуковых частотах, то и управление и сам индуктор станет слышно, а это будет ОЧЕНЬ сильно утомлять, мягко говоря. Если уходить на более высокие частоты, то мы будем вынуждены уменьшать количество витков, а сила магнитного поля, необходимого для возникновения токов Фуко, т.е. вихревых токов, кторые и греют сталь, будет уменьшаться. Ведь сила магнитного поля прямо пропорциональна количеству витков и протекающему через них току. Мотать повышающий трансформатор для получения большего напржяжения не улбынулось по двум причинам:
Габариты и стоимость феррита
Проблемность изоляции индуктора, и силовой части управления
Да, да, изоляция тут тоже имеет не последнее значение - при резонансе и мостовом инверторе к катушке индуктора прилагает порядка 800 вольт. Если удвоить частоту, то придется уменьшать количество витков тоже в 2 раза, а для получения той же мощности придется увеличивать в 2 раза прилагаемое напряжение, а это уже 1600 вольт. Не, я не рискнул затевать такое, да и Вам не советую - уж слишком становтся опасной эта штука.
Первый вариант схемы управления дал понять, что кроме повышенной аккуратности нужно схему немного изменить, что и было сделано. Однако кое что на первом варианте я упел проверить:
Вообще не впечатлило... Однако немного поразмышляв я пришел к выводу, что с проверкой я сильно поторопился - магнитное поле вокруг катушки индуктора не было замкнуто, а это приводило к потерям - стальной лист, который находился рядом с котлом ощутимо нагрелся во время проведения опыта.
Ну а поскольку управление индукционным котлом я все таки ушатал, то решено было собрать не убиваемый стенд для проверки индукторов, ну и собственно новое, более продуманное управление для индукционного котла.
Посидев вечерок в итоге получилась вот такая схема проверочного стенда. В принципе из не традиционного здесь только первая ступень ограничения тока - действующее значение формируется не длительностью импульсов, как это обычно принято в контроллере TL494, а изменением частоты преобразования. Такое решение обусловлено прежде всего тем, что отпадает потребность бороться с импульсами самоиндукции, которые и вызывают нагрев силовых транзисторов, а посколько нагрузка имеет реактивное сопротивление, увеличивающееся от используемой частоты, то сомнений в работоспособности данного схемотехничекого решения не было. Кроме этого в схему был введен аналоговый частотомер, позволяющий орентироваться в используемых частотах. Разумеется, что шкала частотомера была проградуирована по показаниям реального частотомера.
УВЕЛИЧИТЬ СХЕМУ
Управление котлом тоже притерпело некоторые изменения и финальная принципиальная схема приобрела следующий вид:
УВЕЛИЧИТЬ СХЕМУ
Схемы имеют общий принцип управления протекающим через нагрузку током - регулировка частоты. В стенде частота зависит от протекающего через нагрузку тока, для котла же эта зависимость формируется терморегулятором. Причем регулировка имеет две ступени - первое уменьшение потребления происходит при достижении температуры теплоносителя определенной величины и производится ступенчато. Вторая ступень регулировки плавная и изменяет подаваемую на индуктор котла мощность в зависимости от температуры отапливаемого помещения. Таким образом инерционность нагревателя полностью отсутствует.
После неудачного испытания первой версии индукционного котла было опробована экранировка катушек ферритовыми стержнями - прирост производительности был ярко выраженным. Это конечно окрыляло, но не сильно - проект становился слишком дорогостоящим - феррита требовалось много,а он дешевизной не отличается.
Решение проблемы пришло в два этапа. Сначало было решено использовать тороидальный теплообменник с лабиринтом внутри, но немного поразмышляв появился набросок тороидального индукционного котла без лабиринта и с другим расположением входной и выходной труб.
Первое включение показало, что витков на котле намотано слишком мало и пришлось катушку уплотнять и доматывать.
До сборки платы управления индукционным котлом оставалась по сути неделя, но руки чесались - котел то уже был готов и готовность проверочного стенда тоже не давала покоя.
Была собрана и опробована модель отопления с несколькими вариантами электрических котлов, но финальный опыт был сорван - диаметр труб оказался слишком мал и вода в котле с тэном просто закипела:
Модель отопления была переделана - добавлен циркуляционный насос, который исключит закипание воды, а объем воды в модели возрос с полутора ведер до шести с половиной, что позволило значительно увеличить по времени протекание эксперимента. Итак, час ИКС, ну или момент исстины настал:
Скажу честно - расстроился. Ни какого волшебного прироста производительности не произошло. Понятно, что при самоциркуляции вероятность прироста скорей всего была бы - при медленном движении воды на поверхности тэна образовываются пузырьки, которые уносяться сами в расширительный бачок, унося и тепло, но при использовании циркуляционного насоса этот эффект сводится на нет - тэн слишком интенсивно омывается водой и газообразование уменьшается в десятки раз.
Разумеется индукционный котел загонялся и в резонанс, но зависимость протекающего тока линейна - он начинате увеличиваться при повышении частоты и приближении ее к резонансу, а миновав его ток так же линейно уменьшается. Ни каких всплесков протекающего через катушку тока выявлено не было.
Ну а поскольку модель собрана полноценная, то не попробовать побаловаться с электродным котлом я не удержался:
Дя этих опытов так же был куплен новый, современный электросчетчик, который после завершения замеров попросту оказался не нужным. Конечно же и в него был засунут мой любопытный нос:
В общем плату управления котлом собирать до конца я не стал - нет разницы в производительности тепла у индукционного котла и котла на тэнах, следовательно эта плата мне не понадобится. Нет, разбирать ее до конца пока не буду - в наличии есть и TL494 и IR2110, а силовые транзисторы на нее я пока не запаял. Пусть пока поваляется. А вот идеи индукционного нагрева я на вооружение возьму - с подобным комплектом силовых устройств можно не спешно или быстро греть множество стальных вещей для различных целей. Так что был и опыт приобретен и стенд остался для дальнейших опытов.
Конечно же жалко, что идея с индукционным котлом оказалась не состоятельной, но есть технология изготовления индукционных обогревателей, которые по электронике конечно сложнее заводского конвекционного, но используюя более точное поддержание температуры, или использование непрерывного регулирования, как в котле можно добится приличной экономии.
Еще раз напоминаю - речь идет не о КПД, а о производительности и не надо мне махать перед носом учебниками по физике и термодинамике - описанные в учебниках опыты поставлены в идеальных условиях, а жилище ни когда не будет в подобных условиях, у него всегда есть теплообмен с окружающей средой. Расчитать математически что и как будет происходить у меня ума не хватило, поэтому я и собрал несколько моделей и проверил все ОПЫТНЫМ путем и видел все собственными глазами. Так что уймите свой сарказм и если есть сомнения, то можете все повторить - все принципиальные схемы, все используемые конструкции описаны достаточно подробно.
Схема индукционного нагревателя на 500 Ватт, который можно сделать своими руками! В интернете множество подобных схем, но интерес к ним пропадает, так как в основном они или не работают или работают но не так как хотелось бы. Данная схема индукционного нагревателя полностью рабочая, проверенная, а главное, не сложная, думаю вы оцените!
Компоненты и катушка:
Рабочая катушка содержит 5 витков, для намотки была использована медная трубка диаметром около 1 см, но можно и меньше. Такой диаметр был выбран не случайно, через трубку подаётся вода для охлаждения катушки и транзисторов.
Транзисторы ставил IRFP150 так как IRFP250 под рукой не оказалось. Конденсаторы плёночные 0,27 мкФ 160 вольт, но можно поставить 0,33 мкФ и выше, если первые найти не получится. Обратите внимание, что схему можно питать напряжением до 60 вольт, но в этом случае, рекомендуется ставить конденсаторы на напряжение 250 вольт. Если схема будет питаться напряжением до 30 вольт, то на 150 вполне хватит!
Стабилитроны можно ставить любые на 12-15 вольт от 1 Ватт, например 1N5349 и им подобные. Диоды можно использовать UF4007 и ему подобные. Резисторы 470 Ом от 2-х Ватт.
Немного фотографий:
За место радиаторов, были использованы медные пластины, которые припаиваются прямо к трубке, так как в данной конструкции используется водное охлаждение. На мой взгляд это самое эффективное охлаждение, потому что транзисторы греются хорошо и ни какие вентиляторы и супер радиаторы не спасут их от перегрева!
Охлаждающие пластины на плате расположены таким образом, что бы трубка катушки проходила через них. Пластины и трубку нужно припаять между собой, для этого я использовал газовую горелку и большой паяльник для пайки автомобильных радиаторов.
Конденсаторы расположены на двух стороннем текстолите, плата припаивается так же к трубке катушки на прямую, для лучшего охлаждения.
Дроссели намотаны на ферритовых кольцах, лично я достал их из компьютерного блока питания, провод использовался медных в изоляции.
Индукционный нагреватель получился достаточно мощным, латунь и алюминий плавит очень легко, железные детали тоже плавит, но немного медленнее. Так как я использовал транзисторы IRFP150 то по параметрам, схему можно питать напряжением до 30 вольт, поэтому мощность ограничивается только этим фактором. Так что всё таки советую использовать IRFP250.
На этом всё! Ниже оставлю видео работы индукционного нагревателя и список деталей, которые можно купить на AliExpress по очень низкой цене!
Купить детали на Алиэкспресс:
|
Принцип работы индукционного нагревателя основан на двух физических эффектах: первый заключается в том, что при движении проводящего контура в магнитном поле в проводнике возникает индуцированный ток, а второй основан на выделении тепла металлами, через которые пропускают ток. Первый индукционный нагреватель был реализован в 1900 году, когда был найден способ бесконтактного нагрева проводника – для этого использовали токи высокой частоты, которые индуцировались с помощью переменного магнитного поля.
Индукционный нагрев нашёл применение в различных сферах деятельности человека благодаря:
- быстрому разогреву;
- возможности работы в различных по физическим свойствам средах (газ, жидкость, вакуум);
- отсутствию загрязнений продуктами горения;
- возможности избирательного нагрева;
- формам и размерам индуктора – они могут быть любыми;
- возможности автоматизации процесса;
- высокому проценту КПД – до 99%;
- экологичности – нет вредных выбросов в атмосферу;
- длительному сроку службы.
Сфера применения: отопление помещений
В быту схема индукционного нагревателя была реализована для и плит. Первые получили особенно большую популярность и признание у пользователей за счёт отсутствия нагревательных элементов, которые снижают работоспособность в котлах с другим принципом действия, и разъёмных соединений, что даёт экономию на обслуживании систем индукционного отопления.
Примечание: Схема устройства настолько проста, что может быть создана в домашних условиях, и своими руками можно создать самодельный нагреватель.
На практике используются несколько вариантов, где используется разного типа индукторы:
- нагреватели с электронным управлением для создания токов нужного вида в катушке;
- вихревые индукционные нагреватели.
Принцип действия
Последний вариант, наиболее часто используемый в котлах отопления, стал востребован за счёт простоты его реализации. Принцип работы установки индукционного нагрева основан на передаче энергии магнитного поля теплоносителю (воде). Магнитное поле формируется в индукторе. Переменный ток, проходя через катушку, создаёт вихревые потоки, которые трансформируют энергию в тепло.
Вода, подаваемая через нижний патрубок в котёл, прогревается за счёт передачи энергии, и выходит через верхний патрубок, попадая дальше в систему отопления. Для создания давления используют встроенный насос. Постоянно циркулирующая в котле вода не позволяет элементам перегреваться. Кроме того, во время работы происходит вибрация теплоносителя (при низком уровне шума) за счёт чего невозможно отложение накипи на внутренних стенках котла.
Индукционные нагреватели могут быть реализованы различными способами.
Реализация в бытовых условиях
Индукционное отопление ещё не завоевало в достаточной степени рынок из-за высокой стоимости самой системы обогрева. Так, например, для промышленных предприятий подобная система обойдётся в 100 000 рублей, для бытового использования – от 25 000 руб. и выше. Поэтому вполне понятен интерес к схемам, которые позволяют создать самодельный индукционный нагреватель своими руками
На базе трансформатора
Основным элементом системы индукционного отопления с трансформатором станет само устройство, у которого есть первичная и вторичная обмотки. Вихревые потоки будут формироваться в первичной обмотке и создадут электромагнитное индукционное поле. Это поле будет воздействовать на вторичную, которая и есть, по сути, индукционный нагреватель, реализованный физически в виде корпуса котла отопления. Именно вторичная короткозамкнутая обмотка передает энергию теплоносителю.
Главными элементами установки индукционного нагрева являются:
- сердечник;
- обмотка;
- два вида изоляции – тепло- и электроизоляция.
Сердечник – это две ферримагнитные трубки разного диаметра с толщиной стенок не менее 10 мм, вваренные друг в друга. Тороидальная обмотка из медного провода производится по внешней трубке. Необходимо наложить от 85 до 100 витков с равным расстоянием между витками. Переменный ток, изменяясь во времени, создаёт вихревые потоки в замкнутом контуре, которые и нагревают сердечник, следовательно, и теплоноситель, осуществляя индукционный нагрев.
С использованием высокочастотного сварочного инвертора
Индукционный нагреватель может быть создан с использованием сварочного инвертора, где главными компонентами схемы служат генератор переменного тока, индуктор и нагревательный элемент.
Генератор используется для преобразования стандартной частоты в сети электропитания 50 Гц в в ток с более высокой частотой. Этот модулированный ток подаётся на цилиндрическую катушку-индуктор, где в качестве обмотки используется медная проволока.
Катушка создаёт переменное магнитное поле, вектор которого меняется с заданной генератором частотой. Созданные вихревые токи, индуцированные магнитным полем, производят нагрев металлического элемента, который передаёт энергию теплоносителю. Таким образом реализуется ещё одна схема индукционного отопления, выполненная своими руками.
Нагревательный элемент тоже может быть создан своими руками из нарезанной металлической проволоки длиной около 5 мм и отрезка полимерной трубы, в которую помещается металл. При установке вентилей сверху и снизу трубы следует проверить плотность наполнения – не должно оставаться свободного пространства. Согласно схеме поверх трубы накладывается около 100 витков медной проводки, которая и является индуктором, подключаемым к клеммам генератора. Индукционный нагрев медной проволоки происходит за счёт вихревых токов, формируемых переменным магнитным полем.
Примечание: Индукционные нагреватели своими руками могут выполнены по любой схеме, главное помнить о том, что важно осуществить надёжную теплоизоляцию, в противном случае КПД системы отопления значительно упадёт.
Правила безопасности
Для систем отопления, где используется индукционный нагрев, важно соблюдать несколько правил во избежание утечек, потерь КПД, расходования электроэнергии, несчастных случаев.
- В системах индукционного отопления необходимо наличие предохранительного клапана для сброса воды и пара на случай выхода из строя насоса.
- Манометр и УЗО обязательны для безопасной работы отопительной системы, собранной своими руками.
- Наличие заземления и электроизоляции всей системы индукционного отопления предупредит поражение электрическим током.
- Во избежание пагубного воздействия электромагнитного поля на организм человека подобные системы лучше выносить за пределы жилой зоны, где следует соблюдать правила монтажа, согласно которым устройство индукционного нагрева должно размещаться на расстоянии 80 см от горизонтальных (пола и потолка) и 30 см от вертикальных поверхностей.
- Перед включением системы следует обязательно проверять наличие теплоносителя.
- Для предотвращения сбоев в работе электросети рекомендуется подключение котла с индукционным нагревом, выполненного своими руками по предложенным схемам, к отдельной питающей линии, сечение кабеля которой будет составлять не менее 5 мм2. Обычная проводка может не выдержать требуемое энергопотребление.
Когда перед человеком встает необходимость нагреть металлический объект, ему на ум обязательно приходит огонь. Огонь – старомодный, неэффективный и медленный способ нагреть металл. Он тратит львиную долю энергии на тепло, и от огня всегда идет дым. Как было бы здорово, если бы всех этих проблем можно было избежать.
Сегодня я покажу вам как собрать индукционный нагреватель своими руками с ZVS-драйвером. Это приспособление нагревает большинство металлов с помощью ZVS-драйвера и силы электромагнетизма. Такой нагреватель высокоэффективен, не производит дыма, а нагрев таких небольших металлических изделий, как, допустим, скрепка — вопрос нескольких секунд. Видео демонстрирует нагреватель в действии, но инструкция там представлена другая.
Шаг 1: Принцип работы
Многие из вас сейчас задаются вопросом – что такое этот ZVS-драйвер? Это высокоэффективный трансформатор, способный создавать мощное электромагнитное поле, нагревающее металл, основа нашего нагревателя.
Чтобы стало понятно, как работает наш прибор, я расскажу о ключевых моментах. Первый важный момент — источник питания 24 В. Напряжение должно быть 24В при максимальной силе тока 10А. У меня будут два свинцово-кислотных аккумулятора, соединенных последовательно. Они запитывают плату ZVS-драйвера. Трансформатор дает установившийся ток на спираль, внутрь которой помещается объект, который надо нагреть. Постоянное изменение направления тока создает переменное магнитное поле. Оно создает внутри металла вихревые токи, преимущественно высокой частоты. Из-за этих токов и низкого сопротивления металла выделяется тепло. Согласно закону Ома, сила тока, трансформируемая в тепло, в цепи с активным сопротивлением, будет P=I^2*R.
Очень важен металл, из которого состоит объект, который вы хотите нагреть. У сплавов на основе железа более высокая магнитная проницаемость, они могут использовать больше энергии магнитного поля. Из-за этого они быстрее нагреваются. Алюминий имеет низкую магнитную проницаемость и нагревается, соответственно, дольше. А предметы с высоким сопротивлением и низкой магнитной проницаемостью, например, палец, вообще не нагреются. Сопротивление материала очень важно. Чем выше сопротивление, тем слабее ток пройдет по материалу, и тем, соответственно, меньше выделится тепла. Чем ниже сопротивление, тем сильнее будет ток, и согласно закону Ома, меньше потеря напряжения. Это немного сложно, но из-за связи между сопротивлением и выдачей мощности, максимальная выдача мощности достигается, когда сопротивление равно 0.
Трансформатор ZVS самая сложная часть прибора, я объясню, как он работает. Когда ток включен, он идет через два индукционных дросселя к обоим концам спирали. Дроссели нужны, чтобы убедиться, что устройство не выдаст слишком сильный ток. Далее ток идет через 2 резистора 470 Ом на затворы МДП-транзисторов.
Из-за того, что идеальных компонентов не существует, один транзистор будет включаться раньше, чем другой. Когда это происходит, он принимает на себя весь входящий ток со второго транзистора. Он также будет коротить второй на землю. Из-за этого не только ток потечет через катушку в землю, но и через быстрый диод будет разряжаться затвор второго транзистора, тем самым блокируя его. Из-за того, что параллельно катушке подключен конденсатор, создается колебательный контур. Из-за возникшего резонанса, ток поменяет свое направление, напряжение упадет до 0В. В этот момент затвор первого транзистора разряжается через диод на затвор второго транзистора, блокируя его. Этот цикл повторяется тысячи раз за секунду.
Резистор 10К призван уменьшить избыточный заряд затвора транзистора, действуя как конденсатор, а зенеровский диод должен сохранять напряжение на затворах транзисторов 12В или ниже, чтобы они не взорвались. Этот трансформатор высокочастотный преобразователь напряжения позволяет нагреваться металлическим объектам.
Пришло время собрать нагреватель.
Шаг 2: Материалы
Для сборки нагревателя материалов нужно немного, и большую их часть, к счастью, можно найти бесплатно. Если вы видели где-то валяющуюся просто так электронно-лучевую трубку, сходите и заберите ее. В ней есть большая часть нужных для нагревателя деталей. Если вы хотите более качественных деталей, купите их в магазине электрозапчастей.
Вам понадобятся:
Шаг 3: Инструменты
Для этого проекта вам понадобятся:
Шаг 4: Охлаждение полевых транзисторов
В этом приборе транзисторы выключаются при напряжении 0 В, и нагреваются не очень сильно. Но если вы хотите, чтобы нагреватель работал дольше одной минуты, вам нужно отводить тепло от транзисторов. Я сделал обоим транзисторам один общий поглотитель тепла. Убедитесь, что металлические затворы не касаются поглотителя, иначе МДП-транзисторы закоротит и они взорвутся. Я использовал компьютерный теплоотвод, и на нем уже была полоса силиконового герметика. Чтобы проверить изоляцию, коснитесь мультиметром средней ножки каждого МДП-транзистора (затвора), если мультиметр запищал, то транзисторы не изолированы.
Шаг 5: Конденсаторная батарея
Конденсаторы очень сильно нагреваются из-за тока, постоянно проходящего через них. Нашему нагревателю нужна емкость конденсатора 0,47 мкФ. Поэтому нам нужно объединить все конденсаторы в блок, таким образом, мы получим требуемую емкость, а площадь рассеивания тепла увеличится. Номинальное напряжение конденсаторов должно быть выше 400 В, чтобы учесть пики индуктивного напряжения в резонансном контуре. Я сделал два кольца из медной проволоки, к которым припаял 10 конденсаторов 0,047 мкФ параллельно друг другу. Таким образом, я получил конденсаторную батарею совокупной емкостью 0,47 мкФ с отличным воздушным охлаждением. Я установлю ее параллельно рабочей спирали.
Шаг 6: Рабочая спираль
Это та часть прибора, в которой создается магнитное поле. Спираль сделана из медной проволоки – очень важно, чтобы была использована именно медь. Сначала я использовал для нагревания стальную спираль, и прибор работал не очень хорошо. Без рабочей нагрузки он потреблял 14 А! Для сравнения, после замены спирали на медную, прибор стал потреблять только 3 А. Я думаю, что в стальной спирали возникали вихревые токи из-за содержания железа, и она тоже подвергалась индукционному нагреву. Не уверен, что причина именно в этом, но это объяснение кажется мне наиболее логичным.
Для спирали возьмите медную проволоку большого сечения и сделайте 9 витков на отрезке ПВХ-трубы.
Шаг 7: Сборка цепи
Я сделал очень много проб и совершил много ошибок, пока правильно собрал цепь. Больше всего трудностей было с источником питания и со спиралью. Я взял 55А 12В импульсный блок питания. Я думаю, этот блок питания дал слишком высокий начальный ток на ZVS-драйвер, из-за чего взорвались МДП-транзисторы. Возможно, это исправили бы дополнительные индукторы, но я решил просто заменить блок питания на свинцово-кислотные аккумуляторы.
Потом я мучился с катушкой. Как я уже говорил, стальная катушка не подходила. Из-за высокого потребления тока стальной спиралью взорвались еще несколько транзисторов. В общей сложности у меня взорвались 6 транзисторов. Что ж, на ошибках учатся.
Я переделывал нагреватель множество раз, но здесь я расскажу, как собрал его самую удачную версию.
Шаг 8: Собираем прибор
Чтобы собрать ZVS-драйвер, вам нужно следовать приложенной схеме. Сначала я взял зенеровский диод и соединил с 10К резистором. Эту пару деталей можно сразу припаять между стоком и истоком МДП-транзистора. Убедитесь, что зенеровский диод смотрит на сток. Потом припаяйте МДП-транзисторы к макетной плате с контактными отверстиями. На нижней стороне макетной платы припаяйте два быстрых диода между затвором и стоком каждого из транзисторов.
Убедитесь, что белая линия смотрит на затвор (рис.2). Затем соедините плюс от вашего блока питания со стоками обоих транзисторов через 2 220 Ом резистора. Заземлите оба истока. Припаяйте рабочую спираль и конденсаторную батарею параллельно друг другу, затем припаяйте каждый из концов к разным затворам. Наконец, подведите ток к затворам транзисторов через 2 50 мкгн дросселя. У них может быть тороидальный сердечник с 10 витками проволоки. Теперь ваша схема готова к использованию.
Шаг 9: Установка на основание
Чтобы все части вашего индукционного нагревателя держались вместе, им нужно основание. Я взял для этого деревянный брусок 5*10 см. плата с электросхемой, конденсаторная батарея и рабочая спираль были приклеены на термоклей. Мне кажется, агрегат выглядит круто.
Шаг 10: Проверка работоспособности
Чтобы ваш нагреватель включился, просто подсоедините его к источнику питания. Потом поместите предмет, который вам нужно нагреть, в середину рабочей спирали. Он должен начать нагреваться. Мой нагреватель раскалил скрепку до красного свечения за 10 секунд. Предметы крупнее, как гвозди, нагревались примерно за 30 секунд. В процессе нагревания потребление тока выросло приблизительно на 2 А. Этот нагреватель можно использовать не только для развлечения.
После использования прибора не образуется сажи или дыма, он воздействует даже на изолированные металлические объекты, например, газопоглотители в вакуумных трубках. Также прибор безопасен для человека – с пальцем ничего не случится, если поместить его в центр рабочей спирали. Однако, можно обжечься о предмет, который был нагрет.
Спасибо за чтение!
Электрический нагреватель можно установить в любой квартире. Причем согласие на установку дает лишь собственник жилья. Мнение всяческих «контролирующих органов», в данном случае, никого не интересует. А проект подключения нужен лишь в теории. Поэтому, несмотря на довольно затратную эксплуатацию, современные электрические нагреватели, все же, пользуются популярностью.
Мы рассмотрим высокоэффективную разновидность современного обогревателя — индукционный отопительный котел. И в этом обзоре мы не только изучим его достоинства и недостатки, но и дадим рекомендации по самостоятельному изготовлению подобных отопительных приборов.
Типовой индукционный нагреватель состоит из следующих деталей и узлов:
- Генератора переменного тока — в этой роли выступает особый прибор, преобразующий стандартные 50 Гц бытовой электросети в ток с более высокой частотой.
- Индуктор – цилиндрическая катушка из медной проволоки, работающая генератором электромагнитного поля.
- Нагревательного элемента – металлической трубы (или прутка), вводимой в электромагнитное поле.
Причем все эти компоненты взаимодействуют между собой следующим образом:
|
|
- Генератор повышает частоту тока и транслирует модифицированную энергию на катушку.
- Индуктор принимает высокочастотный ток и преобразует его в переменной электромагнитное поле, меняющее вектор (направление потока электромагнитных волн) с очень высокой частотой.
- Нагреватель приближается к катушке или вводится в нее и разогревается вихревыми токами, появление которых провоцирует переменный вектор электромагнитного поля.
Причем передача энергии происходит практически без потерь. Поэтому КПД индукционных нагревателей достигает максимума, а энергии хватает не только на разогрев теплоносителя – электромагнитную индукцию используют даже в металлургии.
Дальнейшее использование аккумулируемой энергии тривиально – ее расходуют на разогрев теплоносителя, циркулирующего внутри трубчатого нагревателя. Причем теплоноситель работает еще и как охладитель нагревательного элемента, обеспечивая котлу очень долгую «жизнь» даже при очень жестком режиме эксплуатации.
Как видите: схема такого отопительного прибора очень проста. В итоге, индукционный нагреватель своими руками может собрать любой человек, знающий с какой стороны держаться за паяльник. Но стоит ли этот нагреватель усилий, затраченных на его изготовление? Давайте разбираться.
Достоинства и недостатки индукционных нагревателей
К достоинствам индукционных электронагревателей относятся следующие эксплуатационные характеристики и свойства:
- Вихревые токи генерируют не только тепло, но и вибрацию. Поэтому на стенках нагревательного элемента не оседает накипь. Следовательно, индукционные котлы не нуждаются в чистке.
- Нагревательный элемент у такого котла – это обычная труба, разогреваемая вихревыми токами. И при постоянной циркуляции теплоносителя по требе она не может перегореть физически, в отличие от нагревательной спирали традиционного ТЭНа. То есть, о замене или ремонте нагревательного элемента можно даже не задумываться.
- Даже самодельный вихревой теплогенератор герметичен изначально. Ведь разогрев теплоносителя осуществляется внутри цельнометаллического нагревательного элемента. Причем энергия передается нагревателю дистанционно – посредством электромагнитного поля. Поэтому, ввиду отсутствия разъемных соединений, протечек в индукционных котлах не может быть в принципе.
- Котел не шумит, хотя нагревательный элемент может вибрировать. Но частота этой вибрации далека от диапазона звуковых волн. Поэтому индукционный нагреватель работает беззвучно.
- Вся конструкция собирается из дешевых, легкодоступных деталей. Поэтому индукционный нагреватель дешев просто до неприличия.
Словом, такая схема нагрева теплоносителя надежна, долговечна и очень эффективна. Причем при использовании индукционного котла можно отказаться даже от циркуляционного насоса – теплоноситель «пойдет» по трубам под влиянием тепловой конвекции, разогреваясь на старте практически до парообразного состояния.
А в перечень недостатков индукционных нагревателей следует включить такие факты:
- Во-первых, переменно электромагнитное поле разогревает не только нагревательный элемент, но и все окружающее пространство, в том числе и ткани тела человека. Поэтому от такого устройства нужно держаться подальше.
- Во-вторых, нагревательный прибор работает на электричестве. А это не самый дешевый источник энергии.
- В-третьих, прибор очень эффективен, а теплоотдача нагревателя просто колоссальна, поэтому риск детонации котла от перегрева теплоносителя есть всегда. Впрочем, этот дефект устраняет обычный датчик давления.
Однако, если вы готовы мириться с недостатками, то это отопительный прибор был создан специально для вас. И ниже по тексту мы предложим вам схему самостоятельной сборки такого котла.
Вихревой индукционный нагреватель своими руками: обзор конструкции
Элементарный индукционный нагреватель создается следующим образом:
- Берется полимерная труба с очень толстыми стенками. На торцы трубы монтируют два вентиля – к ним подсоединяют разводку (обратка – внизу).
- Перед монтажом верхнего вентиля в трубу засыпают рубленную металлическую проволоку, заполняющую всю внутреннюю полость. Диаметр проволоки – 5-6 миллиметров, длина рубленых элементов – произвольна.
- Вокруг трубы наматывают медную проволоку, делая не менее 90 оборотов (витков).
В итоге у нас есть индуктор – пружина из медной проволоки, и нагревательный элемент – полимерный корпус, который забит стальными стержнями. Остается только найти генератор и все заработает.
Причем самое доступное и дешевое решение – это сварочный инвертор. Медную проволоку попросту подключают к его полюсам, переводя прибор в режим переменного тока высокой частоты. И после включения инвертора система начинает работать: индуктор излучает электромагнитное поле, рубленая проволока раскаляется от вихревых токов и вода в полимерной трубе вскипает за считанные секунды, провоцируя тепловую циркуляцию в разводке.
Разумеется, создавая индукционный нагреватель из сварочного инвертора и полимерной трубы с рубленой проволокой вместо нагревательного элемента, не стоит рассчитывать на сверхэффективную работу. Однако, даже такое подобие промышленного нагревательного прибора может отапливать достаточно большое помещение. Правда, с самоделками нужно обращаться очень осторожно. Поэтому далее последуют рекомендации по технике безопасности.
Самодельный индукционный нагреватель и безопасность
Самодельный котел нельзя включать вне разводки, без заполнения рабочей камеры (полимерной трубы) теплоносителем. Иначе полимерный корпус расплавится, а раскаленный металл упадет прямо на пол.
Самодельный котел нужно включать в отдельную линию – энергопотребление инвертора очень велико и при постоянной работе «домашняя» линия на 2,5 мм2 попросту сгорит. Для таких систем нужен кабель сечением 4-6 мм2.
Самодельный котел нельзя оставлять без напорной циркуляции – вскипевший теплоноситель может разорвать полимерный корпус. Поэтому на выходе, за вентилем, ставят клапан избыточного давления.
Словом, перед тем как сделать индукционный нагреватель своими руками – подумайте, а нужен ли в вашем доме «самопальный» прибор такой мощности, который даже не оснащен предохранительными датчиками и хотя бы элементарным блоком контроля. Возможно, что лучшим выбором, в данном случае, был бы «заводской» индукционный котел, оборудованный всеми предохранителями.
