Идея нагревать металл вихревыми токами Фуко, возбуждаемыми электромагнитным полем катушки, отнюдь не нова. Она давно и успешно эксплуатируется в промышленных плавильных печах, кузнечных мастерских, бытовых нагревательных приборах – плитах и электрокотлах. Последние довольно дороги, так что домашние умельцы не оставляют попыток сделать индукционный нагреватель воды своими руками. Наша задача – рассмотреть работоспособные варианты самодельных устройств и разобраться, можно ли применять их для отопления дома.
Для начала разъясним, как функционируют электрические индукционные нагреватели. Переменный ток, проходя по виткам катушки, образует вокруг нее электромагнитное поле. Если поместить внутрь обмотки сердечник из магнитящегося металла, то он станет нагреваться вихревыми токами, возникающими под воздействием поля. Вот и весь принцип.
Важное условие. Чтобы металлический сердечник нагревался, катушка должна питаться переменным током, меняющим знак и вектор поля с высокой частотой. При подаче на обмотку постоянного тока вы получите обыкновенный электромагнит.
Сам нагревательный элемент носит название индуктора и является главной частью установки. В отопительных котлах он представляет собой стальную трубу с протекающим внутри теплоносителем, а в кухонных плитах – плоскую катушку, максимально приближенную к варочной панели, как изображено далее на фото.
Катушка-индуктор нагревает железную трубу, которая передает тепло протекающей воде
Вторая часть индукционного нагревателя - схема, повышающая частоту тока. Дело в том, что напряжение с промышленной частотой 50 Гц малопригодно для работы подобных устройств. Если присоединить индуктор к сети напрямую, то он начнет сильно гудеть и слабо прогревать сердечник, причем вместе с обмотками. Чтобы эффективно преобразовывать электричество в теплоту и полностью передавать ее металлу, частоту нужно повысить минимум до 10 кГц, чем и занимается электросхема.
В чем заключаются реальные преимущества индукционных котлов перед ТЭНовыми и электродными:
Здесь сердечником служит посуда из магнитного металла
На просторах интернета размещено достаточное количество разнообразных конструкций, создаваемых для различных целей. Взять индукционный малогабаритный нагреватель, сделанный из компьютерного блока питания 250-500 Вт. Модель, показанная на фото, пригодится мастеру в гараже или автосервисе для плавки стержней из алюминия, меди и латуни.
Но для отопления помещений конструкция не подойдет по причине малой мощности. В интернете есть два реальных варианта, чьи испытания и работа засняты на видео:
Справка. Существуют и другие, полностью самодельные конструкции, где преобразователи частоты умельцы собирают с нуля. Но для этого нужны знания и навыки в области радиотехники, поэтому рассматривать их мы не будем, а просто приведем пример такой схемы.
Теперь давайте подробнее разберем, как делаются индукционные нагреватели своими руками, а главное, - как они потом функционируют.
Если вы плотно занимались поиском информации по данной теме, то наверняка столкнулись с этой конструкцией, поскольку мастер выложил ее сборку на популярном видеоресурсе YouTube. После чего многие сайты разместили текстовые версии изготовления этого индуктора в виде пошаговых инструкций. Вкратце нагреватель делается так:
Важный нюанс. Длину и сечение провода для намотки катушки следует определять по штатному индуктору печки, чтобы она соответствовала мощности полевых транзисторов в электросхеме. Если взять больше провода, то упадет мощность нагрева, меньше – перегреются и выйдут из строя транзисторы. Как это выглядит визуально, смотрите на видео:
Как нетрудно догадаться, роль нагревательного элемента здесь играют металлические ершики, находящиеся в переменном магнитном поле катушки. Если запустить варочную панель на максимум, одновременно пропуская через импровизированный котел проточную воду, то ее удастся нагреть на 15-20 °С, что и показали испытания агрегата.
Поскольку мощность большинства индукционных плит лежит в пределах 2-2.5 кВт, то с помощью теплогенератора можно обогреть помещения общей площадью не более 25 м². Есть способ увеличить нагрев, подключив индуктор к сварочному аппарату, но здесь есть свои сложности:
Проверку работоспособности индуктивного водонагревателя автор демонстрирует в своем видео, представленном ниже. Испытания показали, что агрегат требует доработки, но конечный результат, к сожалению, неизвестен. Похоже, что умелец оставил проект незавершенным.
В этом случае дешевую китайскую плиту разбирать не нужно. Суть в том, чтобы сварить по ее размерам котловой бак, руководствуясь пошаговой инструкцией:
Окончательная сборка и запуск заключается в монтаже котла на стену и его врезке в систему отопления. Варочная панель вставляется в гнездо из уголков на задней стенке бака и подключается к электросети. Остается и включить нагрев индуктора.
Здесь вас подстерегает та же проблема, что встречалась с предыдущей моделью. Несомненно, индукционный нагрев будет работать, но его мощности 2.5 кВт хватит для обогрева парочки небольших комнат при морозе на улице. Осенью и весной, когда температура не опустилась ниже нуля, самодельный котел сможет отопить площадь 35-40 м². Как его правильно подключить к системе, смотрите в очередном видеосюжете:
Мы намеренно представили варианты индукционных водонагревателей несложной конструкции, чтобы каждый желающий мог сделать подобный агрегат своими силами. Но остался вопрос, нужно ли заниматься этим делом и тратить собственное время. На этот счет есть ряд объективных соображений:
Конечно, вы можете обойтись без дорогих покупок, досконально разобраться в конструкции и смастерить индукционный нагреватель с нуля. Но выполнить все бесплатно не получится, ведь потребуется приобрести комплектующие для схемы. Заметьте, что бонусы от подобного отопительного агрегата невелики, так что всерьез браться за его изготовление с целью обогрева частного дома нецелесообразно.
Индукционные нагреватели работают по принципу “получение тока из магнетизма”. В специальной катушке генерируется переменное магнитное поле высокой мощности, которое порождает вихревые электрические токи в замкнутом проводнике.
Замкнутым проводником в индукционных плитах является металлическая посуда, которая разогревается вихревыми электрическими токами. В общем, принцип работы таких приборов не сложен, и при наличии небольших познаний в физике и электрике, собрать индукционный нагреватель своими руками не составит большого труда.
Самостоятельно могут быть изготовлены следующие приборы:
Индукционная плита своими руками, должна быть изготовлена с соблюдением всех норм и правил для эксплуатации данных приборов. Если за пределы корпуса в боковых направлениях будет выделяться опасное для человека электромагнитное излучение, то использовать такой прибор категорически запрещается.
Кроме этого большая сложность при конструировании плиты заключается в подборе материала для основания варочной поверхности, которое должно удовлетворять следующим требованиям:
В бытовых варочных индукционных поверхностях используется дорогая керамика, при изготовлении в домашних условиях индукционной плиты, найти достойную альтернативу такому материалу – довольно сложно. Поэтому, для начала следует сконструировать что-нибудь попроще, например, индукционную печь для закалки металлов.
Рисунок 1. Электрическая схема индукционного нагревателя
Рисунок 2. Устройство.
Рисунок 3. Схема простого индукционного нагревателя
Для изготовления печи понадобятся следующие материалы и инструменты:
Дополнительные материалы и их особенности:
Сам процесс изготовления электронного генератора и катушки занимает немного времени и осуществляется в такой последовательности:
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.
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.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.
В заключении несколько слов о перспективах данного способа нагрева в быту. Нагревать можно любой магнитящийся металл. Для чего Вы это будете делать это не мое собачье дело. С моей стороны были успешно опробованы два варианта - бытовой утюг, имеющий стальное основание и самодельный паяльник для пластиковых труб.
К сожалению на тот момент была оттеситрованы индукторы и силовая часть, а температура контролировалась при помщи термопары. На сегодня уже разработано управление данным нагревателем через МК без использования контактных датчиков.
Принцип работы основан на постепенном уменьшении мощности, подводимой в индуктор по мере достижения установленной температуры. При использовании в качестве задающего генератора IR2155о понадобится оптрон светодиод-фоторезистор или лампа-фоторезистор. По мере приближения температуры к установленной по очереди загораются светодиоды. Первый увеличивает частоту задающего генератора в 1,5 раза, тем самым уводя индуктор с резонанса. Второй еще увеличивает частоту в 1,5 раза. Ну а третий полностью останавливает работу генератора.
Как изготовить подобный оптрон показано в видео:
В конце этого видео как раз мелькает испытание утюга.
Принципиальная схема бесконтактного терморегулятора приведена ниже. Питать МК можно от любого стабилизированного пятивольтового блока питания. На Али, кстати, продаются УНИВЕРСАЛЬНЫЕ БЛОКИ ПИТАНИЯ , имеющие выходное напряжение 5 вольт - для контроллера и 12 вольт, котрое можно использовать для питания IR2155 и избавиться от резисторов на 2 Вт. Только землю пятивольтовую лучше отделить от земли двенадцать вольт.
Схема, плата и прошивка для МК лежат в АРХИВЕ .
При использовании в качестве задающего генератора TL494 или SG3525 оптроны можно использовать оптрон светодиод-фототранзистор (РС817), транзистор которого включается в цепь частотозадающего резистора.
Прежде чем мы поговорим о том, как собрать самодельный индукционный нагреватель, нужно узнать, что это и по какому принципу работает.
В период с 1822 по 1831 год известнейший английский ученый Фарадей провел серию экспериментов, целью которых было добиться преобразования магнетизма в электрическую энергию. Он проводил много времени в своей лаборатории. Пока в один прекрасный день, в 1831 году, Майкл Фарадей все-таки не добился своего. У ученого наконец вышло получить электрический поток в первичной обмотке из проволоки, которая была намотана на железный сердечник. Так была открыта электромагнитная индукция.
Это открытие стали применять в промышленности, в трансформаторах, различных моторах и генераторах.
Однако по-настоящему это открытие стало популярным и необходимым лишь через 70 лет. Во времена подъема и развития металлургической промышленности требовались новые, современные методы плавки металлов в условиях металлургических производств. Кстати, первую плавильню, которая использовала вихревой индукционный нагреватель, запустили в 1927 году. Завод располагался в небольшом английском городке Шеффилде.
В 80-х принцип индукции уже стали применять по полной программе. Инженеры сумели создать нагреватели, которые работали на основе того же принципа индукции, что и металлургическая печь для плавки металлов. Такими приборами обогревали цеха заводов. Чуть позже стали выпускать бытовые устройства. А некоторые умельцы не покупали их, а собирали индукционные нагреватели своими руками.
Если разобрать котел индукционного типа, то там вы найдете сердечник, электрическую и тепловую изоляцию, затем корпус. Отличие этого нагревателя от тех, которые используются в промышленности - это тороидальная обмотка медными проводниками. Она расположена между двух сваренных между собой труб. Эти трубы изготавливаются из ферромагнитной стали. Стенка такой трубы - более 10 мм. В результате такой конструкции нагреватель имеет гораздо меньший вес, более высокий КПД, а также небольшие размеры. В качестве сердечника здесь работает труба с обмоткой. А другая служит непосредственно для нагревания теплоносителя.
Ток индукции, который генерируется магнитным полем высокой частоты с внешней обмотки на трубу, нагревает теплоноситель. Этот процесс вызывает вибрацию стенок. Благодаря чему на них не откладывается накипь.
Нагрев происходит за счет того, что в процессе работы нагревается сердечник. Его температура повышается из-за вихревых токов. Последние образуются за счет магнитного поля, которое, в свою очередь, генерируется токами высокого напряжения. Так работает индукционный нагреватель воды и многие современные котлы.
Нагревательные приборы, которые в качестве энергии используют электричество, максимально удобны и комфортны в использовании. Они намного безопаснее, чем оборудование, работающее на газу. К тому же в этом случае нет ни копоти, ни сажи.
Один из недостатков такого нагревателя - высокий расход электричества. Чтобы как-то экономить, народные умельцы научились собирать индукционные нагреватели своими руками. В итоге получается отличный аппарат, которому для работы нужно гораздо меньше электрической энергии.
Чтобы сделать такое устройство самостоятельно, не нужно обладать серьезными знаниями в электротехнике, и со сборкой конструкции справится любой человек.
Для этого нам понадобится кусок толстостенной пластиковой трубы. Она будет работать как корпус нашего агрегата. Далее нужна стальная проволока диаметром не больше 7 мм. Также, если необходимо подключать нагреватель к отоплению в доме или квартире, желательно приобрести переходники. Еще нужна сетка из металла, которая должна удерживать стальную проволоку внутри корпуса. Естественно, необходима медная проволока, чтобы создать катушку индуктивности. Также практически у каждого в гараже найдется высокочастотный инвертор. Ну уж в частном секторе такое оборудование можно отыскать без труда. Удивительно, но из подручных средств можно без особых затрат делать индукционные нагреватели своими руками.
Сначала необходимо провести подготовительные работы для проволоки. Ее нарезаем кусками длиной 5-6 см. Дно части трубы нужно закрыть сеткой, а внутрь насыпать куски порезанной проволоки. Сверху трубу надо также закрыть сеткой. Нужно сыпать столько проволоки, чтобы снизу доверху заполнить трубу.
Когда деталь будет готова, нужно установить ее в систему отопления. Затем можно подключать катушку к электричеству через инвертор. Считается, что индукционный нагреватель из инвертора - это очень простой и максимально бюджетный прибор.
Не стоит проводить испытания аппарата, если нет подачи воды или антифриза. Вы просто расплавите трубу. Прежде чем запускать эту систему, желательно сделать заземление для инвертора.
Это второй вариант. Он предполагает применение продуктов современных электронных приборов. Такой индукционный нагреватель, схема которого представлена ниже, не нужно настраивать.
Данная схема подразумевает принцип последовательного резонанса и может развивать приличную мощность. Если использовать более мощные диоды и конденсаторы большей емкости, то можно повысить показатели агрегата до серьезного уровня.
Для того чтобы собрать данный аппарат, понадобится дроссель. Его можно найти, если вскрыть блок питания обычного компьютера. Далее нужно намотать провод из ферромагнитной стали, медную проволоку 1,5 мм. В зависимости от необходимых параметров может понадобиться от 10 до 30 витков. Затем нужно подобрать полевые транзисторы. Их выбирают исходя из максимального сопротивления открытого перехода. Что касается диодов, то их нужно брать под обратное напряжение не меньше чем 500 В, при том что ток будет где-то 3-4 А. Также понадобятся стабилитроны, рассчитанные на 15-18 В. А мощность их должна быть порядка 2-3 Вт. Резисторы - до 0,5 Вт.
Далее нужно собрать схему и изготовить катушку. Это основа, на которой базируется весь индукционный нагреватель ВИН. Катушка будет состоять из 6-7 витков медного провода 1,5 мм. Затем деталь нужно включить в схему и подключить к электричеству.
Устройство способно греть болты до желтого цвета. Схема предельно проста, однако в работе система выделяет много тепла, поэтому лучше установить радиаторы на транзисторы.
Для того чтобы собрать данный агрегат, нужно уметь работать со сваркой, а также пригодится трехфазный трансформатор. Конструкция представлена в виде двух труб, которые необходимо вварить друг в друга. Одновременно они будут исполнять роль сердечника и нагревателя. Обмотка наматывается на корпус. Так можно значительно повысить производительность и при этом добиться небольших габаритных размеров и малого веса.
Чтобы выполнить подвод и отвод теплоносителя, необходимо в корпус устройства вварить два патрубка.
Рекомендуется, чтобы максимально исключить возможные потери тепла, а также обезопасить себя от вероятных утечек тока, сделать для котла изоляцию. Она позволит исключить возникновение излишних шумов, особенно во время интенсивной работы.
Подобными системами желательно пользоваться в закрытых отопительных контурах, в которых есть принудительная циркуляция теплоносителя. Разрешается применять такие агрегаты для пластиковых трубопроводов. Котел нужно устанавливать таким образом, чтобы расстояние между ним и стенами, другими электрическими приборами было не меньше 30 см. От пола и потолка желательно тоже соблюдать дистанцию в 80 см. Также рекомендуют смонтировать за выходным патрубком систему безопасности. Для этого подойдет манометр, устройство сброса воздуха, а также подрывной клапан.
Вот так легко и без больших затрат можно собирать индукционные нагреватели своими руками. Это оборудование вполне может служить вам долгие годы и греть ваш дом.
Итак, мы выяснили, как делается своими руками индукционный нагреватель. Схема сборки не очень сложная, так что справиться можно за считаные часы.
Индукционный нагреватель - устройство для нагрева металлов, путем воздействия токами Фуко. Сам принцип такого нагревателя известен с давних времен, а сейчас индукционные нагреватели активно применяются во многих областях промышленности. Наш самодельный индуктор прост в использовании, имеет относительно простую конструкцию и не требует никакой настройки. При этом, нагреватель довольно мощный.
Работает схема индуктора по принципу последовательного резонанса. Повысить мощность устройства можно несколькими способами - подбором более мощных полевых ключей, использованием конденсатора большей емкости в контуре, повышением питающего напряжения.
Собирал я такой индуктор своими руками, чисто из любопытства, чтобы проверить работоспособность схемы.
Дроссель - взял готовый от компьютерного блока питания. Намотан на кольце от порошкового железа и содержит 10-25 витков провода 1,5мм.
Полевые транзисторы - тут выбор большой, в моем случае были использованы N-канальные высоковольтные полевые транзисторы серии IRF740, но желательно использовать полевые транзисторы ориентируясь по минимальному сопротивлению открытого перехода, а также максимально допустимого тока. В стандартном варианте советуется использовать силовые ключи серии IRFP250.
Параметры этого транзистора:
Очень мощный и довольно дорогой транзистор, но с ним можно получить высокую мощность, при этом потребление может быть в районе 20-40 Ампер!!!
Контур был намотан на оправе с диаметром 4,5 см и состоит из 2х3 витков. Советую мотать сразу 6 витков, затем с 3 витка снять лак на небольшом участке и там же запаять провод, который будет отводом, на него подается силовой плюс. В моем случае для намотки контура был использован провод 1.5мм, но в идеале нужен провод 3-5мм, мотается по тому же принципу.
Стабилитроны 12-15 Вольт, желательно с мощностью 1-2 ватт, все использованные резисторы 0,5 ватт.
Диоды - обязательно нужны быстрые с обратным напряжением не менее 400 Вольт, можно ставить дешевые ультрафасты UF4007, в моем случае были использованы диоды серии HER305 - с обратным напряжением 400 Вольт, при допустимом токе 3 Ампер.
Увеличить мощность схемы, означает увеличить ток в контуре. Чем больше емкость конденсатора С1, тем больше ток. В моем случае были использованы пленки на 250 Вольт 6 шт 0,33мкФ, но число кол-во конденсаторов в стандартном варианте советуется 15-20 штук с той же емкостью, напряжение конденсаторов 250-400Вольт.
Основной недостаток схемы - немыслимое количество тепловыделения на транзисторах, с моими, довольно хорошими ключами пришлось охлаждать схему двумя кулерами, но даже они не успевали должным образом отводить тепло, поэтому буду думать о водяном охлаждении…
Самодельный индуктор довольно быстро способен разогреть болты стандарта М6, до желтого оттенка.
