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:
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:
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.
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
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 – 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.
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.
Для систем отопления, где используется индукционный нагрев, важно соблюдать несколько правил во избежание утечек, потерь КПД, расходования электроэнергии, несчастных случаев.
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.
Невиданная экономия, суперэффективность, неимоверный срок службы и даже новый принцип передачи энергии. Именно так характеризуют продавцы индукционных котлов свой товар. Пора и нам приобщиться к высоким технологиям будущего и узнать, на самом ли деле оно так прекрасно, это индукционное отопление.
Наша задача в этой статье - отделить мух от котлет, рекламные хитрости маркетологов от суровой правды жизни. Начнём с того, что ставшее популярным в народном интернете выражение «индукционное отопление», намеренно вынесенное нами в заголовок статьи - нонсенс. Речь, конечно же, будет идти об электрических индукционных водонагревателях, которые используются в привычных системах водяного отопления. Постараемся дать им объективную оценку, рассказать о реальных плюсах и минусах этих ещё достаточно новых для нашего рынка отопительных приборов.
Специально для тех, кто считал ворон на уроках физики в 9-м классе:
Видео для любознательных чайников: что такое электромагнитная индукция простыми словами
Конструктивно водонагревательная часть индукционного котла похожа на трансформатор. Первый, наружный её контур - катушки обмотки, подключенные к источнику электропитания. Второй, внутренний - теплообменное устройство, в котором циркулирует теплоноситель. При подаче напряжения катушка генерирует переменное магнитное поле, в результате чего в теплообменнике индуцируются токи, вызывающие его нагрев. От металла тепловая энергия передаётся воде либо незамерзающей жидкости.
Устройство индукционного водонагревателя просто, как пять копеек. В связи с этим умельцы, имеющие доступ к дешёвой элементной базе, собирают индукционное отопление своими руками в домашних условиях. Тем, кто недостаточно знаком с техникой безопасности в энергетике, не рекомендуем повторять их опыт: напряжение высокое, опасно!
На том же принципе базируется работа кухонных индукционных плит, только там вторичным контуром служит сама посуда, которая должна быть изготовлена из специально подобранного металла. Такие электроплиты раза в два экономичнее обычных «блинчиков» за счёт того, что отсутствуют потери на передачу тепловой энергии от нагревательных элементов к кастрюлям и сковородкам. Высокая экономичность подобной кухонной техники настолько привлекает граждан, что на форумах всерьёз обсуждают темы наподобие «отопление с помощью индукционной плиты». Да и некоторые наши читатели задают вопрос, как организовать отопление индукционной плитой частного дома. Отвечаем: теоретически это даже возможно, однако крайне неудобно: придётся постоянно бегать и подливать в кастрюлю воду, чтобы она не выкипела. К тому же нагреется только кухня, пара будет много, посуду жалко.
Чтобы водонагреватель превратился в полноценный отопительный котёл, он должен быть оснащён управляющими устройствами, позволяющими поддерживать температуру теплоносителя на заданном уровне. Нехитрую автоматику предлагают многие производители индукционных котлов, но грамотный электрик сможет и самостоятельно собрать схему.
Электрическая схема управления для индукционного котла, подключенного к линии 220 В
То же, для 380 В
Оставим в стороне тех продавцов, которые говорят о «новом принципе передачи энергии», который якобы используется в индукционных котлах. Эти люди вопиюще безграмотны либо бессовестно лгут, глядя на покупателей невинными глазами. Посмотрим, сколько в этом устройстве инновационного и кто может считаться его создателем.
Честь открытия электромагнитной индукции принадлежит Майклу Фарадею, произошло это в 1831 году. За пределы лабораторий индуктивные нагреватели вышли в 1900 году, когда в Швеции была запущена первая промышленная индукционная сталеплавильная печь. С тех пор и по сей день подобные нагреватели и печи широко применяются в производстве, однако до недавнего времени не применялись для отопления. Разумеется, именитые компании-производители отопительной техники исследовали возможность нагрева теплоносителя за счёт электромагнитной индукции, но использование этой технологии было признано нецелесообразным. Так что небольшие отечественные предприятия, наладившие мелкосерийный выпуск подобных устройств - «впереди планеты всей». Но можно уверенно утверждать: никаких новых технических идей индуктивный котел отопления в себе не несёт.
Для начала скажем, что отопление электричеством - изначально самое дорогое. По стоимости расходов электроотопление не может конкурировать не только с дешёвым природным газом и твёрдым топливом, но даже с газом сжиженным и дизельным топливом. Единственный способ снизить издержки - установить в доме теплоаккумулятор и топить в основном ночью, когда действует льготный тариф на электроэнергию.
Если упрощённо, теплоаккумулятор - это большой, хорошо утеплённый резервуар с жидкостью, который днём будет хранить запасы «дешёвой» ночной энергии
Продавцы утверждают, что индукционные нагреватели воды для отопления имеют фантастически высокий КПД - 100%. И это чистая правда. Однако следует заметить, что точно такой же КПД имеют все нагревательные электрические приборы, независимо от их типа. Потребляемая электрическая мощность полностью преобразуется в тепловую. Однако следует учитывать, что не вся энергия передаётся теплоносителю, часть её от теплообменника рассеивается в помещении котельной. Что, в общем-то, не беда, ведь в топочной тоже должно быть тепло. Но в обычных электрических котлах нагревательный элемент полностью погружён в жидкость и энергия ТЭНа используется более полно.
Если уж углубляться в тему экономии, следует сказать, что самым экономичным видом электроотопления являются тёплые кабельные либо плёночные полы. Большая эффективность достигается за счёт оптимального распределения температуры в помещении и отсутствия потерь на работу механических устройств. В отличие от водяного отопления, здесь нет циркуляционных насосов.
При обогреваемых полах температура в помещении распределяется оптимально: ноги в тепле, голова в холоде. Радиаторы дают обратную картину. В комнате с тёплыми полами можно поддерживать меньшую среднюю температуру (и тратить меньше энергии), при этом человек будет чувствовать себя даже комфортней обычного
Вывод: индукционный водонагреватель в плане экономичности ничем не лучше и не хуже других электроприборов, предназначенных для отопления, обладает стандартными характеристиками.
Производители утверждают, что индукционный котёл прослужит не менее четверти века. И это вполне может оказаться правдой. Движущихся деталей в устройстве нет, отсутствует механический износ. Если медная обмотка и катушка изготовлены как положено, они могут прослужить многие десятилетия. Сердечник теплоносителя будет постоянно подвергаться эрозии со стороны теплоносителя, но, будучи изготовленным из хорошей стали и имея достаточную толщину, также способен проработать очень долго. Правда, обязательным условием «долголетия» водонагревателя является его эксплуатация в рекомендованном температурном режиме, а за это отвечает автоматика. Можно сказать, что потенциально индукционный котёл может служить своим хозяевам без поломок заметно дольше других типов генераторов тепла для отопления, а реальные цифры зависят лишь от уровня качества, на котором он изготовлен. Производят и устанавливают такие водонагреватели у нас не так давно, поэтому долговременной статистики по оборудованию ещё не наработано.
Привычные электрокотлы не могут похвастаться такой надёжностью. При постоянной эксплуатации ТЭН или анод прослужит лет 10-15. Их несложно заменить, но это дополнительные расходы и хлопоты.
Вариант схемы отопления частного дома на основе индукционного котла. 1 – шкаф с автоматикой управления и защиты; 2 – индукционный водонагреватель; 3 – блок гидравлической безопасности (манометр, клапаны); 4 – запорные вентили; 5 – циркуляционный насос; 6 – фильтр; 7 – мембранный расширительный бак; 8 – контур отопления; 9 – линия подпитки и слива
Так всё же, имеет ли смысл приобретать индукционный котёл для отопления? Увы, мы не можем дать однозначного ответа на этот вопрос. Рассказы о его сверхэкономичности оказались мифом, надёжность может быть высокой. А может и не быть. Бесшумность, о которой говорят, присуща всем электронагревателям, звук может издавать насос. Компактность весьма спорна.
На первый взгляд, индукционный котёл (справа) намного компактнее ТЭНового котла (слева). Однако в корпусе последнего размещена куча всякого необходимого оборудования, которое понадобится для индукционного тоже. И не факт, что расположенное вразнобой, оно не займёт на стене больше места
В остальном преимуществ у индукционного котла перед обычными мы не видим. Но есть недостаток: он дороже стоит. Или, если быть точнее, больше просят денег. Причём хороший ТЭНовый котёл за свои деньги представляет собой сбалансированное, полностью готовое к установке и эксплуатации устройство. А индукционный нагреватель ещё нужно комплектовать дополнительным оборудованием. На наш взгляд, маркетологи и продавцы, представляя нам ординарный товар в качестве эксклюзива, пытаются «снять стружку». Получить прибыль большую, чем на других изделиях. Хотя, тенденция к снижению цен уже наметилась и можно ожидать, что в течение нескольких ближайших лет на индукционные котлы установятся справедливые цены. Либо их просто перестанут выпускать.
Если вы рассматриваете возможность приобретения индукционного водонагревателя для отопления собственного дома, рекомендуем пообщаться с профессиональными теплотехниками, как проектировщиками, так и практиками. Опытные специалисты отслеживают тенденции, имеют возможность давать оценки по новым видам техники на основе собственного из практического опыта. Поставщиков оборудования тоже стоит послушать, но сказанное ими следует воспринимать критически.
Самодельный индукционный нагреватель 4 кВт.
Представьте такой фокус. Человек берёт в руки железный гвоздь и засовывает его в медную петлю - индуктор. Гвоздь тут же раскаляется добела.
Секрет фокуса - индукционный нагрев. Старинная технология, впервые разработанная русским электротехником Вологдиным в 1880 году, и, к сожалению, до сих пор мало распространённая среди домаших мастеров.
По медной петле - индуктору - пропускается электрический ток большой силы (сотни ампер) и большой частоты (десятки - сотни кГц). В результате в металлической заготовке, стоящей внутри индуктора или рядом с ним, наводятся токи Фуко, тоже большой силы и частоты. Высокочастотный ток в заготовке под действием скин-эффекта вытесняется в тонкие поверхностные слои, в результате чего его плотность резко возрастает. Слой заготовки, по которому протекают большие токи, начинает быстро разогреваться. Температура может достичь нескольких тысяч градусов, что позволяет плавить металл в домашних условиях, придумывать и создавать свои собственные необычные сплавы; сваривать и паять металлические детали; закаливать отвёртки, свёрла, ножи и так далее, применять установку в кузнечных и ремонтных мастерских.
Индукционный нагрев позволяет разогревать электропроводящие материалы (любой металл, графит, электропроводную керамику) бесконтактно. Прямо через воздух, через слой воды, через стеклянную, деревянную или пластиковую стенку, в вакуумной камере или в камере с защитным газом. При этом заготовка остаётся идеально чистой, так как не окисляется в газовой струе, не касается грязной поверхности печки и т п.
_________________________________________________________________________
За основу был взят инвертор Сергея Владимировича Кухтецкого, разработанны й в Институте химии. Схема инвертора, её подробное описание и рекомендации по сборке опубликованы по адресу: www.icct.ru В схеме применены современные электронные компоненты, что позволяет собрать мощный и надёжный инвертор в домашних условиях за небольшую цену порядка нескольких тысяч рублей (цены на промышленные аналоги достигают десятков и сотен тысяч руб).
На форуме induction.listbb.ru совместными усилиями с форумчанами Derba, Феникс, Jab, Фулюган, Ostap, -CE- проведена до работка схемы, установлена дополнительная плата фазовой автоподстройки частоты ФАПЧ для автоматического удержания резонанса, установлена скоростная защита от превышения тока (как при превышении питания, так и в результате пробоя силовых мосфетов из-за их перегрева или сбоя модуля управления). Добавлены некоторые детали, уменьшающие вероятность перегрева мосфетов и сбоя модуля управления (приводящие к появлению сквозных токов в силовом мосте).
Потребляемая мощность инвертора в зависимости от применяемых индукторов: 1...4 кВт.
Частота тока в индукторе: 300 кГц.
Сила тока в индукторе: ~400А.
Максимальный потребляемый от сети ток при двухвитковом индукторе - 20А, потребляемое напряжение - 220V.
Индукционной нагреватель снабжён защитой, отключающей схему при превышении напряжения питания, при коротком замыкании индуктора, при заливании индуктора водой.
Схемы и обсуждение доработок смотрите на форуме:
induction.listbb.ru
и
Видео - плавление низкоуглеродистой стали (гайки) на воздухе:
Видео - плавление высокоуглеродистой стали (шарик от подшипника из стали ШХ-15):
Видео - плавление низкоуглеродистой стали в защитном газе (аргоне):
Видео - нагрев стального шарика через слой воды. Возможность нагрева железяк через слой воды интересна, вода электромагнитному полю не помеха
Мощное высокочастотное электромагнитное поле выталкивает железные заготовки из индуктора. С одной стороны это создаёт проблемы - сложно греть мелкие заготовки, их выносит из индуктора прочь и приходится их как-то закреплять (так называемый эффект электромагнитного дутья).
С другой стороны, можно плавить металл в подвешенном состоянии - (левитационная плавка, плавка в электромагнитном тигле):
Доработка инвертора для индукционного нагрева.
Метод бесконтактного нагрева жидкометаллических образцов токами высокой частоты в вакууме или защитном газе является оптимальным для экспериментов с мелкими образцами электропроводящих материалов.
Промышленные инверторы высокой частоты не обладают нужными для проведения эксперимента характеристиками (высокой мощностью при высокой частоте, необходимой для нагрева мелких образцов), в связи с чем был изготовлен самодельный инвертор. За основу был принят инвертор, разработанный Сергеем Кухтецким в Институте химии и химической технологии РАН, работающий следующим образом.
Индуктор для нагрева образцов, представляющий собой катушку колебательного контура совместно с компенсирующий батареей конденсаторов, накачивается от независимо работающего генератора высокой частоты.
Генератор выполнен по схеме полный мост, его частота автоматически подстраивается под собственную частоту колебательного контура вручную и не может изменяться во время работы. Предлагаемый инвертор не имеет схемы защиты силовых транзисторов от сквозных токов и схемы управления мощностью нагрева (Рис.1).
Рис.1. Блок-схема простого инвертора для индукционного нагрева.
Эксплуатация данного простого инвертора выявило следующие проблемы. В результате нагрева образца, а также в результате движения образца в индукторе происходит изменение индуктивности, входящей в состав колебательного контура, и изменению его собственной частоты. Поскольку частота работы инвертора задается генератором с неизменяемой во время работы частотой, рассогласование частот колебательного контура и генератора приводит к резкому падению мощности нагрева, вибрациям заготовки в индукторе, а также выходу силовых транзисторов на неоптимальный режим работы в емкостном режиме, что приводит к выходу их из строя.
Для решения указанных проблем инвертор был дооборудован схемой фазовой автоподстройки частоты ФАПЧ, схемой скоростной защиты силовых транзисторов от превышения тока и импульсным регулятором мощности с управлением от ПК. Схемы защиты и регулирования мощности выполнены в виде отдельных модулей и могут применяться для иных задач.
Схема ФАПЧ состоит из генератора с изменяемой частотой, датчика тока, датчика напряжения, регулируемой линии задержки, формирователя управляющих импульсов для силового моста. Датчики тока и напряжения измеряют соответствующие величины на колебательном контуре, после чего производится сравнение их фаз. Нулевой сдвиг фаз означает синхронную работу колебательного контура на собственной частоте и задающего генератора. В случае сдвига фаз задающий генератор автоматически корректирует частоту, подстраивая ее под собственную частоту колебательного контура (Рис.2). Электрическая схема доработанного инвертора приведена на Рис.5.
Настройка диапазона слежения ФАПЧ, порядок действий:
Необходимо определить собственную частоту колебательного контура, например, следующим образом.
1) Снять с шин колебательного контура согласующий трансформатор.
2) Подсоединить к шинам, соединяющим индуктор с батареей конденсаторов, осциллограф.
3) Настроить осциллограф в режим ожидания (в режим одиночного измерения Trigger).
4) Кратковременно коснуться шин колебательного контура батареей типа «крона». На экране появится "дребезг" – собственные колебания контура. При необходимости провести данную процедуру несколько раз о получения устойчивой картины на экране осциллографа.
Период собственных колебаний измеряется по сетке осциллографа, далее по формуле f = 1 / период , вычисляется собственная частота колебательного контура.
Настройка диапазона работы ФАПЧ проводится следующим образом.
1) К выходу микросхемы фапч-генератора CD4046 подсоединяется осциллограф.
2) Задать минимальную частоту работы генератора CD4046. Для этого плюс источника питания напряжением 1 вольт подсоединить к выводу 9 микросхемы CD4046, минус источника питания подсоединить к общей шине.
3) Выставить минимальную частоту вращением потенциометра на ножке 12 микросхемы сd4046 на 30 кГц ниже собственной частоты колебательного контура (подбирается опытным путём для надёжного подхватывания ФАПЧ).
4) Задать максимальную частоту работы генератора CD4046. Для этого плюс источника питания напряжением 4.5 вольта подсоединить к выводу 9 микросхемы CD4046, минус источника питания подсоединить к общей шине.
5) Вращением потенциометра на ножке 11 микросхемы CD4046 задать частоту на 30 кГц выше собственной.
В результате проделанных операций инвертор автоматически стартует с подхватыванием резонанса и удерживает его в процессе работы.
Рис.2. Блок-схема инвертора для индукционного нагрева с ФАПЧ.
Модуль защиты состоит из выполненного на шунте датчика тока, схемы фиксации превышения тока с настройкой порога срабатывания и схемы отключения питания. Питание подводится к инвертору через шунт. В момент превышения тока на шунте фиксируется превышение падения напряжения, что приводит к перебрасыванию триггера и подаче сигнала запирания на силовой транзистор (Рис.3). Электрическая схема модуля защиты приведена на Рис.6.
Рис.3. Блок-схема модуля скоростной защиты.
Видео - срабатывание модуля скоростной защиты:
Импульсный регулятор мощности выполнен по схеме понижающего ШИМ-преобразователя типа step-down. Регулирование мощности осуществляется посредством изменения скважности управляющего ШИМ-сигнала. Управляющий сигнал генерируется микроконтроллером STM32F767 (готовая отладочная плата со встроенным USB-программатором). Параметры регулирования мощности задаются с компьютера через интерфейс USB, входящий в состав любого ПК, данное решение позволяет синхронизировать сбор данных и управление экспериментальной установкой (блок-схема изображена на Рис.4).
Рис.4. Блок-схема импульсного регулятора мощности.
Программа микроконтроллера предусматривает как ручное (педаль, ручка энкодера), так и дистанционное управление регулятором мощности (с помощью ПК), осуществление плавного старта и стопа, стабилизации выходной мощности по току или по напряжению, индикации работы прибора. Электрическая схема импульсного регулятора мощности приведена на Рис.7.
Рис.5. Схема инвертора для индукционного нагрева образцов с фазовой автоподстройкой частоты.
Рис.6. Электрическая схема универсального скоростного прерывателя тока для защиты установки индукционного нагрева.
Рис.7. Электрическая схема универсального импульсного регулятора мощности.
Индукционный нагрев – это современный способ термической обработки электропроводящих веществ и материалов, который имеет наиболее высокий коэффициент полезного действия среди существующих методов. Для более экономичной работы отопительных и бытовых приборов, сегодня, используют специальные индукционные нагреватели. Как работают индукционные устройства и как самостоятельно сделать аппарат индукционного нагрева – читайте ниже.
Принцип индукционного нагрева основан на воздействии переменного тока на обмотку трансформатора и последующем возникновении электромагнитного поля. В результате возникновения магнитного поля, между магнитными и немагнитными деталями образуется электрический ток. Именно высокочастотными токами (ТВЧ) и происходит нагрев различных электропроводящих материалов.
Индукционный нагрев имеет массу преимуществ:
Кроме того, такой способ нагрева является сверхэкономичный: он преобразовывается до 90% потребленной в тепло (при том, что обычные электрические нагреватели имеют, в среднем, показатели в 45-50%).
Благодаря экономической выгоде, сегодня, индукционный нагрев имеет широкое применение. Аппарат вихревого индукционного нагрева отлично подходит для помещений площадью до 60 кв. м, отапливать которые необходимо электричеством. Так, ВИН можно использовать для отопления частных домов, производственных и складских помещений, АЗС, автосервиса и других отдельно стоящих объектов.
К основным преимуществам использования ВИН в качестве “сердца” отопительной системы можно отнести то, что:
Именно поэтому сегодня, все больше, компаний по производству бытовой техники и производственных машин используют индукционный нагрев. Примером такого использования, помимо отопительных котлов, может служить индукционная электрическая печь. В пищевой промышленности используется ультразвуковой индукционный нагреватель. Для нагрева металлов в промышленности применяют инверторный индукционный аппарат, для плавки цветных металлов – плавильно-восстановительный агрегат, ковки железа и изготовления заготовок – индукционный электрический горн.
Сделать ВИН можно и своими руками. Для того, чтобы правильно собрать вихревой аппарат индукционного нагрева, необходимо найти схему устройства. Наиболее простой является схема печатной платы, которая представляет собой прерыватель, работающий на высокомощных транзисторах.
Характерными отличиями такой схемы являются:
Транзисторы в нагревателе, собранном по такой схеме, рекомендуют устанавливать на специальные радиаторы: это позволит избежать перегрева устройства. По такой же схеме можно собрать индукторный водонагреватель.
Устройство вихревого индукционного нагревателя включает в себя:
В основе такой схемы лежит резонансный принцип работы, происходящий в последовательном колебательном контуре. Магнитный поток между витками катушки замыкается по воздуху.
Чтобы собрать нагреватель для водяного отопления, проще всего будет использовать схему с трансформатором, состоящим из первичной и вторичной короткозамкнутых обмоток. Вода будет нагреваться, проходя по трубам внутри катушки и подаваться нагретой из выходного патрубка.
При этом, следует помнить, что в системах водяного отопления с ВИД необходимо использовать насос для принудительной циркуляции воды.
Если возможности установить проточный насос нет, то можно выбрать в качестве нагревательного элемента механический подогреватель для жидкого теплоносителя или прикрепить к стенке резервуара с теплоносителем обогреватель на постоянных магнитах.
Экодом - мечта или реальность? Может ли дом совсем не потреблять энергию? Ответы на следующей странице:
Самый бюджетный индукционный генератор можно сделать, взяв трансформаторный магнитопровод. Достаточно мощное приспособление для индукционного нагрева можно собрать из электронного трансформатора, который представляет собой импульсный блок питания.
Для того, чтобы собрать устройство необходимо:
Такой нагреватель будет иметь КПД не менее 65%. Этого будет достаточно для того, чтобы собрать небольшую индукционную электрическую печь. Кроме того, с помощью такого приспособления можно будет быстро плавить провода с диаметром до 4 мм.
Аппарат индукционного нагрева можно сделать из инверторного источника тока сварочного аппарата. При этом, конструкцию можно упростить, поместив внутрь индукционной катушки прямую трубу. Она будет работать в качестве сердечника. Для того, чтобы сделать нагреватель вам понадобиться: полимерная труба диаметром 5 см; стальная проволока диаметром 0,6 см; медный провод на 3мм; строительная металлическая мелкоячеистая сетка.
Приступаем к работе:
Приспособление готово! Теперь, во время работы аппарата, катушка будет создавать электромагнитное поле и потоки вихревого тока. Это приведет к тому, что приспособление станет быстро нагреваться.
В обычном виде индукционные нагреватели, сделанные из сварочного инвертора, представляют повышенную опасность, ведь они не могут автономно контролировать температуру воды. Так, использование нагревателя в системах с теплоносителем может быть чревато короткими замыканиями и разрывом труб. Это может произойти из-за высокого гидравлического сопротивления в системе, которое возникает вследствие движения теплоносителя сквозь куски катанки. Поэтому, такие устройства требуют доработок.
Чтобы избежать аварийных ситуаций, следует снабжать самодельный аппарат индукционного нагрева, сделанный из сварочного инвертора, устройствами аварийного отключения.
Для контроля нагрева можно применить терморегулятор с температурным датчиком температуры и реле, размыкающим цепь, когда температура теплоносителя достигнет установленных значений. Кроме того, избежать разрыва системы можно будет, прикрепив к нагревателю через тройник, с одной стороны, предохранительный клапан.
Опытные электрики говорят о том, что переделка одного из видов источников питания сварочной дуги в нагреватель не оправдана: тепловую мощность нагревателя будет ограничивать электрическая мощность инвертора.
Такого генератора тепла хватит на обогрев комнаты, площадь которой составляет не более 30 кв. м. Экономия средств, в этом случае, составит 30-50% (в зависимости от габаритов апартаментов). При этом, дорогостоящего сегодня сварочного аппарата вы лишитесь.
Индуктивный нагрев – это современный способ термической обработки электропроводящих веществ, который нашел широкое бытовое применение. Так, вихревые индукционные нагреватели отлично подходят для организации более экономичной и эффективной работы отопительной системы. Сделать индукционный генератор, при этом, можно сделать самостоятельно. Главное – учитывать рекомендации профессиональных электриков и выполнять все работы последовательно!
