Сегодня при организации нагрева воды большое распространение получил индукционный водонагреватель. Эта востребованность обеспечена тем, что прибор является полностью экологически безопасным, не сушит и не пережигает воздух. Использование такого прибора может быть реализовано для проточного нагревания воды или в качестве нагревательного котла. Купить индукционный водонагреватель можно как в магазине, так и изготовить своими руками. Стоит отметить, что по техническим характеристикам он не уступит покупаемой модели, правда, будет выглядеть не так привлекательно, но стоит при этом намного меньше.
Применение такого прибора в домашних условиях позволяет получить максимальную производительность и надежность в эксплуатации. При этом агрегат не нужно сопровождать особой документацией и разрешением для установки, например, как газовый бойлер. Применяя индукционный нагреватель в роли традиционного отопительного котла, в некоторых случаях не потребуется использование насоса. Движение теплоносителя достигается путем процессов конвекции : вода при большом нагревании превращается в пар.
Стоит отметить, что у индукционного водонагревателя есть масса преимуществ, которые выделяют его среди конкурентов.
- Стоимость такого устройство незначительная.
- Есть возможность собрать нагреватель самостоятельно.
- Не издает постороннего шума. Катушка в процессе работы достаточно сильно вибрирует, но она практически не ощутима.
- Из-за постоянной вибрации грязь и накипь не успевает прикрепляться к функциональным элементам, поэтому прибор не нуждается в регулярной чистке.
- В своем составе имеет тепловой генератор, который очень легко делается герметичным. Вода, выступающая теплоносителем, помещена в нагревательный элемент, благодаря чему энергия передается через магнитное поле. Здесь не требуется использование контактов, а соответственно сальников и различных уплотнительных резинок, которые имеют особенность быстро выходить из строя.
- Редко ломается, так как за нагрев воды отвечает простая трубка, в которой просто нечему сломаться или перегореть.
Выбирая индукционный водонагреватель, хозяин получает прибор с минимальным эксплуатационным обслуживанием, так как он состоит из небольшого числа составляющих. А они, в свою очередь, очень редко выходят из строя.
Принцип работы индукционного котла
Но и без недостатков нельзя обойтись. Как и в любом виде техники, они есть.
- Высокое потребление электроэнергии , которое выльется большими счетами за свет;
- Устройство очень сильно нагревается, причем горячим становится все вокруг, поэтому не стоит прикасаться к прибору во время его работы.
- Индукционный водонагреватель имеет сильную теплоотдачу, поэтому необходима установка датчика температуры , чтобы предотвратить перегрев прибора, и, соответственно, взрыв.
Виды индукционных водонагревателей
Все приборы подобного типа, которые могут быть изготовлены своими руками, можно разделить на две группы:
- Вихревые нагреватели индукторного типа , которые чаще всего используются в домах для выполнения функций отопления. Именно их процесс изготовления будет рассмотрен ниже.
- Обогреватели, конструкция которых подразумевает применение разных видов электронных узлов и деталей.
При создании вихревого индукционного нагревателя (или сокращенно ВИН) своими руками, следует предусмотреть следующие конструкционные узлы:
- элемент, отвечающий за преобразование электроэнергии в ток высокочастотного типа;
- индуктор (чаще всего выполняется в виде цилиндрическом элементе из медной проволоки), что при использовании выполняет функцию трансформатора, отвечающего за образование поля магнитного характера;
- элемент, который будет играть роль нагревательного, располагается внутри самого индуктора.
Работа ВИН выглядит следующим образом.
- Высокочастотный ток из преобразователя передается на индуктор.
- В индукторе образуется магнитное поле , что в свою очередь создает потоки вихревого характера.
- Теплообменник под действием вихревых потоков достаточно быстро достигает высокой температуры и, соответственно, нагревает теплоноситель, который распространяет тепло дальше.
Схема современного водонагревателя
Одним из самых главных компонентов является индукционная катушка, к изготовлению которой стоит отнестись с особой внимательностью. Медная проволока очень аккуратно наматывается на трубу из пластика, причем число мотков не должно быть меньше 100.
Из представленного описания можно сделать вывод, что изготовить индукционный водонагреватель самостоятельно не сложно.
Особенности изготовления
Индукционный нагреватель своими руками можно изготовить двумя способами. Вкратце стоит рассмотреть каждый из них.
Вариант 1
Наиболее простой прибор (при этом он будет иметь высокую мощность) можно изготовить на основе печатной схемы . Среди особенностей схемы, которая будет использоваться в приборе, следует выделить следующие моменты:
- вся конструкция, по сути, представлена мультивибратором с организацией высокой мощности;
- особое внимание стоит уделить сопротивлению, так как именно оно будет предотвращать перегрев транзисторов;
- индуктор в таком приборе должен быть выполнен в виде спирали из 6-8 витков медной проволоки;
- в качестве регулятора можно использовать соответствующий элемент из блока питания компьютера и не задумываться над его контракцией.
Вихревой индукционный нагреватель
Вариант 2
В основу изготовления такого прибора своими руками положено использование электронного трансформатора.
Суть такого способа изготовления индукционного водонагревателя состоит в следующем.
- Две трубы с использованием сварки стоит соединить так, чтобы визуально они походили на бублик. Этот элемент впоследствии будет играть роль как элемента для нагревания, так и проводника.
- На корпус потребуется намотать проволоку из меди.
- Чтобы обеспечить качественное и быстрое движение воды, в основной корпус приваривают 2 патрубка. В один из них вода будет поступать, а со второго выходить уже в саму систему.
Вот и все советы по тому, как собрать такой нагревательный прибор своими руками и обеспечить в доме качественное отопление и постоянное присутствие горячей воды.
Умельцы придумали много способов для отопления дома. Один из них — индукционный нагреватель. Как и любой другой, он имеет свои преимущества и недостатки.
Принцип действия
В основе работы лежит закон Джоуля-Ленца, который отражает прямую зависимость тепловой отдачи проводника от напряженности электрического поля. Всем известна взаимосвязь магнетизма и электричества, которые просто не могут существовать одно без другого. Если на катушку подать ток высокой частоты, вокруг нее образуется магнитное поле. Его поток будет пронизывать токопроводящий сердечник, вставленный в катушку. Возникшая магнитная индукция будет постоянно меняться по направлению и времени, что вызовет появление вихревых токов, движущихся по замкнутому кругу. А это преобразовывает электромагнитную энергию в тепловую. Такова в общих чертах схема индукционного нагревателя.
Индукционные нагреватели блестяще зарекомендовали себя в самых разных областях применения. С их помощью можно проводить поверхностную закалку металлических изделий, сверхчистую, бесконтактную сварку, точечный прогрев и даже плавку токопроводящих материалов. Производственные индукторы оборудованы мощным трансформатором, способным подавать на них большие токи.
Индуктор в быту
Поскольку схема подобного нагревателя не отличается сложностью, а КПД такого устройства очень высок (до 98%), вихревой индукционный нагреватель не мог не заинтересовать народных умельцев.
Очень часто у многих возникает идея об использовании принципа индукции для отопления дома. Ведь индукционный обогреватель способен нагревать воду чуть ли не мгновенно. Поэтому существует целый ряд конструкций, представляющих собой самодельный индукционный нагреватель.
В физике много законов, обойти которые не получится никогда. Энергия не берется из ниоткуда, а потому количество потребляемого электричества не может быть меньше, чем требуется тепловой энергии.
Другими словами, если для прогрева помещения требуется 5 кВт/ч, то не получится сделать это, потребляя всего 2 кВт/ч электроэнергии, какой бы замечательной ни была конструкция нагревателя. Если планируется отапливаться с помощью индуктора, нужно быть готовым к повышению выплат за электричество.
Самым популярным вариантом среди мастеров-умельцев является индукционный нагреватель из сварочного инвертора. Этому есть ряд причин:
- Инвертор выдает ток повышенных частот, что значительно повышает напряженность электрического поля, а это благотворно сказывается на теплоотдаче.
- Сварочный инвертор способен на подачу больших токов. Из всех приборов, доступных для бытового применения, инвертор лучше всего подходит для использования в качестве блока питания индукционного нагревателя.
Элементы конструкции
Индукционный нагреватель своими руками делается следующим образом:
- Кусок пластиковой трубы с толщиной стенок не менее 3 мм заполняется кусками металлической проволоки. Длина их примерно около 5 см.
- Оба края этого отрезка трубы закрываются металлической сеткой, чтобы она удерживала эти куски на месте. Труба должна быть заполнена проволокой полностью.
- После этого она должна быть аккуратно обмотана толстым медным проводом — порядка 90 витков. Желательно выбирать провод с диаметром не ниже 3 мм.
- С помощью переходников и фитингов труба присоединяется к отопительной системе, которая после этого заполняется водой.
- Концы провода присоединяются к клеммам сварочного инвертора.
- Необходимо обеспечить выполнение всех мер пожарной и электробезопасности.
После включения устройства металлические куски проволоки мгновенно нагреются и начнут отдавать тепло проходящей свозь них воде.
Особо стоит заострить внимание на том, что вода обязательно должна непрерывно циркулировать.
В противном случае температура трубы поднимется настолько, что появится угроза ее расплавления
Это является 1 из самых серьезных недостатков подобных нагревателей. В случае частого отсутствия хозяев необходима система автоматического компьютерного контроля за работой нагревателя.
Индукционный нагреватель вполне пригоден для отопления, но при этом имеет свои недостатки. Они вполне исправимы и при грамотной проработке деталей данная конструкция способна конкурировать с другими.
Из-за постоянного повышения цен на традиционные энергоносители владельцы загородной недвижимости изыскивают новые возможности для отопления своего дома. Одним из экономичных вариантов многие считают индукционные нагреватели, у которых в качестве выступает вода. С помощью этого оборудования, по мнению некоторых домовладельцев, можно обогреть помещения значительных площадей. Такого типа оборудование в продаже имеет достаточно высокую стоимость. Но индукционный нагреватель можно и своими руками сделать при наличии некоторых навыков подобных работ. А готовые схемы и подробное видео процесса помогут умельцу сориентироваться в этапах работы, немного облегчат его труд.
Принцип работы индукционного нагревателя
Перед самостоятельным сбором индукционного нагревателя нужно сначала ознакомиться с общим принципом работы техники подобного типа. Такие агрегаты во многом схожи с оборудованием, которое снабжено ТЭНами. В них так же происходит преобразование электричества в тепло, которое необходимо для обогрева помещений дома.
Нагревание устройства происходит за счет энергии электромагнитного поля, создаваемом в индукторе. В его качестве выступает катушка в виде цилиндра с обмоткой. Электричество, проходя через эту катушку, создает напряжение. В результате действия переменного тока образуются вихревые потоки. Затем энергия электромагнитного поля забирается теплоносителем, в качестве которого выступает вода. После происходит генерация этой энергии в тепло. За короткий срок вода при таком нагреве достигает достаточно высоких температур.
Схема индукционного нагревателя
Компоненты индукционного водонагревателя
Самое простое устройство генерации тепла на основе вихревых потоков представляет собой электрический индуктор, который состоит из нескольких обмоток:
- первичной;
- вторичной.
В первичной обмотке электроэнергия преобразуется в вихревые токи, а затем направляет магнитное поле на вторичную. Далее созданная электромагнитная энергия передается теплоносителю, нагревая его. Вторичная обмотка представляет собой одновременно нагревательный элемент и корпус индукционного котла. Он состоит из:
- внешней обмотки;
- сердечника;
- электроизоляции;
- тепловой изоляции.
Работа индукционного нагревателя
Для поступления холодной воды в агрегат и выхода горячей в систему отопления монтируются два патрубка. Для циркуляции жидкости встраивается насос. Перегрев воды при работе отопительной системы не происходит, так как жидкость постоянно циркулирует – подается остывшая, а выводится горячая. Устанавливать такие водонагреватели для обогрева можно практически в любых помещениях. За счет конструкционных особенностей системы снижается вес и размеры нагревательного элемента, а теплоотдача – существенно увеличивается. Теплоноситель в итоге получает около 97-98%% энергии без существенных потерь.
Внимание! Для монтажа индукционного нагревателя какой-либо серьезной перепланировки отопительной системы делать не нужно, этот агрегат в нее просто встраивается.
Преимущества агрегатов индукционного типа
К несомненным достоинствам этого типа устройств для обогрева дома можно отнести следующие характеристики:
- экономичность – переработка электрической энергии в тепловую происходит практически полностью без существенных потерь;
- удобство в пользовании – постоянное техническое обслуживание агрегатов данного типа не требуется;
- компактные размеры – индукционные нагреватели воды небольшие по габаритам, их можно установить в систему отопления практически в любых помещениях;
- бесшумность в работе – данное оборудование функционирует достаточно тихо, во время его работы какого-либо шума не возникает;
- долгий срок использования – индукционные агрегаты долговечны, бесперебойно могут функционировать в течение 30 лет и более;
- высокие показатели экологичности – вредных выбросов при работе устройства не происходит, устройство дымохода и организация системы вентиляции не требуется.
Многие считают, что индукционные котлы намного выгоднее других вариантов отопления дома. А по сравнению с оборудованием, оснащенным ТЭНами, время нагрева этих агрегатов происходит практически в два раза быстрее. За счет же постоянной циркуляции и вибрации жидкости накипь в трубах и внутри устройства не образуется, что значительно облегчает обслуживание и уход за отопительной системой.
Внешний вид индукционных котлов
Но имеются у этого типа устройств и некоторые недостатки. И основным минусом можно назвать то, что индукционное оборудование достаточно дорогое по стоимости. Но можно попробовать сделать такой нагреватель для отопления дома самостоятельно.
Совет. При наличии определенных умений и технических знаний можно собрать индукционный нагреватель для дома своими руками. Но прежде чем приступить к процессу сборки устройства, нужно сначала реально оценить свои возможности и опыт создания подобных агрегатов, так как изготовить их не так уж и просто.
Как самостоятельно собрать индукционный нагреватель
Современный рынок предоставляет достаточно большой выбор различных моделей оборудования индукционного типа. Но в целях экономии такое устройство можно изготовить самим. Конечно, задумав сделать этот нагреватель, нужно подготовить для работы соответствующие инструменты и запастись необходимыми материалами, многие из которых уже могут быть у хозяина.
Для изготовления простой конструкции нагревателя нужно взять следующие компоненты:
- кусок пластиковой трубы с достаточно толстыми стенками – это пойдет для изготовления корпуса устройства;
- сетку (металлическую);
- проволоку из меди;
- проволоку из нержавеющей стали диаметром до 7 мм или катанку.
Самодельный индукционный котел
Чтобы вмонтировать нагреватель в систему отопления, понадобятся еще встраиваемый циркулирующий насос и переходники для подсоединения устройства, а также сварочный аппарат и необходимые инструменты.
Сборка индукционного нагревателя
Работы по изготовлению нагревателя производятся в несколько этапов:
- Порезать проволоку из нержавейки на части длиной примерно 5-7 мм. На дно трубы из пластика поместить металлическую сетку и наполнить все свободное пространство внутри нарезанными кусочками проволоки. Затем закрыть трубу с той и другой стороны.
- Далее нужно сделать индукционную катушку. Для этого подготовленную трубу аккуратно и с равными промежутками обмотать медной проволокой. Должно получиться не менее 90-100 витков проволоки.
- Подготовленное устройство можно встроить в любом месте системы отопления. Устройство подключается к инвертору внешней обмоткой из медной проволоки. Для прокачки воды встраивается циркулирующий насос. Обязательно нужно произвести работы по электроизоляции устройства. Не стоит забывать и о тепловой изоляции нагревателя специальным материалом. Без теплоизоляции КПД системы будет значительно ниже.
Себестоимость самодельного индукционного котла довольно небольшая. Но все же для его изготовления необходим опыт подобных работ, а также хотя бы небольшие технические знания в данной области. Если же все работы проводятся аккуратно и в соответствии с рекомендациями, такое устройство будет работать бесперебойно, с неплохой отдачей тепла. Возможно, что оно получится несколько неказистым на вид, но от этого нагреватель не станет функционировать хуже.
Индукционное отопление своими руками: видео
Индукционный нагреватель воды: фото
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.
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!