Индукционный нагреватель металла

Индукционный нагреватель из сварочного инвертора: особенности

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.

Практичным и качественным является индукционный нагреватель из сварочного инвертора

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.

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.

Инструкция по изготовлению

Чертежи

Рисунок 1. Электрическая схема индукционного нагревателя

Рисунок 2. Устройство.

Рисунок 3. Схема простого индукционного нагревателя

Для изготовления печи понадобятся следующие материалы и инструменты:

• паяльник;
• припой;
• текстолитовая плата.
• мини-дрель.
• радиоэлементы.
• термопаста.
• химические реагенты для травления платы.

Дополнительные материалы и их особенности:

1. Для изготовления катушки, которая будет излучать необходимое для нагрева переменное магнитное поле, необходимо приготовить отрезок медной трубки диаметром 8 мм, и длиной 800 мм.
2. Мощные силовые транзисторы являются самой дорогой частью самодельной индукционной установки. Для монтажа схемы частотного генератора необходимо приготовить 2 таких элемента. Для этих целей подойдут транзисторы марок: IRFP-150; IRFP-260; IRFP-460. При изготовлении схемы используются 2 одинаковых из перечисленных полевых транзисторов.
3. Для изготовления колебательно контура понадобятся керамические конденсаторы ёмкостью 0,1 mF и рабочим напряжением 1600 В. Для того, чтобы в катушке образовался переменный ток высокой мощности, потребуется 7 таких конденсаторов.
4. При работе такого индукционного прибора, полевые транзисторы будут сильно разогреваться и если к ним не будут присоединены радиаторы из алюминиевого сплава, то уже через несколько секунд работы на максимальной мощности, данные элементы выйдут из строя. Ставить транзисторы на теплоотводы следует через тонкий слой термопасты, иначе эффективность такого охлаждения будет минимальна.
5. Диоды, которые используются в индукционном нагревателе, обязательно должны быть ультрабыстрого действия. Наиболее подходящими для данной схемы, диоды: MUR-460; UF-4007; HER – 307.
6. Резисторы, которые используются в схеме 3: 10 кОм мощностью 0,25 Вт – 2 шт. и 440 Ом мощностью – 2 Вт. Стабилитроны: 2 шт. с рабочим напряжением 15 В. Мощность стабилитронов должна составлять не менее 2 Вт. Дроссель для подсоединения к силовым выводам катушки используется с индукцией.
7. Для питания всего устройства понадобится блок питания мощностью до 500. Вт. и напряжением 12 – 40 В. Запитать данное устройство можно от автомобильного аккумулятора, но получить наивысшие показания мощности при таком напряжении не получится.

Сам процесс изготовления электронного генератора и катушки занимает немного времени и осуществляется в такой последовательности:

1. Из медной трубы делается спираль диаметром 4 см. Для изготовления спирали следует медную трубку накрутить на стержень с ровной поверхностью диаметром 4 см. Спираль должна иметь 7 витков, которые не должны соприкасаться. На 2 конца трубки припаиваются крепёжные кольца для подключения к радиаторам транзистора.
2. Печатная плата изготавливается по схеме. Если есть возможность поставить полипропиленовые конденсаторы, то благодаря тому, что такие элементы обладают минимальными потерями и устойчивой работой при больших амплитудах колебания напряжений, устройство будет работать намного стабильнее. Конденсаторы в схеме устанавливаются параллельно образуя с медной катушкой колебательный контур.
3. Нагрев металла происходит внутри катушки, после того как схема будет подключена к блоку питания или аккумулятору. При нагреве металла необходимо следить за тем, чтобы не было короткого замыкания обмоток пружины. Если коснуться нагреваемым металлом 2 витка катушки одновременно, то транзисторы выходят из строя моментально.

Принцип работы индуктора

Вихревые нагреватели обычно используются для отопительных котлов. Они пользуются большим спросом у населения за счет своей мощности и простой конструкции. Функционирование их основывается на передаче теплоносителю энергии магнитного поля. Вода, подающаяся в аппарат, нагревается путем подачи энергии. Далее она подается в отопительную систему. Чтобы появилось давление, применяется насос. Вода циркулирует и защищает элементы от перегрева. Теплоноситель вибрирует, что предотвращает появление накипи на стенках оборудования.

Если изучить изнутри индукционный обогреватель, там можно обнаружить металлический корпус, изоляцию и сердечник. Основное отличие такого нагревателя от промышленных — обмотка медными проводниками. Последняя находится между 2-ух сваренных стальных труб.

Принцип электромагнитной индукции

Самодельный индукционный нагреватель мало весит, обладает хорошим КПД и компактными размерами. Как сердечник, тут используется труба с обмоткой. Вторая труба нужна для нагревания. Ток, генерируемый магнитным полем, греет воду. По такому принципу функционируют самодельные устройства и часть современных нагревателей.

Принцип работы индукционного нагревателя

Индукционный нагрев невозможен без использования трех основных элементов:

• индуктора;
• генератора;
• нагревательного элемента.

Индуктор представляет собой катушку, обычно выполненную из медной проволоки, с ее помощью генерируют магнитное поле. Генератор переменного тока используют для получения высокочастотного потока из стандартного потока домашней электросети с частотой 50 Гц.

В качестве нагревательного элемента применяется металлический предмет, способный поглощать тепловую энергию под воздействием магнитного поля. Если правильно соединить эти элементы, можно получить высокопроизводительный прибор, который прекрасно подходит для подогрева жидкого теплоносителя и отопления дома.

С помощью генератора электрический ток с необходимыми характеристиками подается на индуктор, т.е. на медную катушку. При прохождении через нее поток заряженных частиц формирует магнитное поле.

Принцип действия индукционных нагревателей основан на возникновении электротоков внутри проводников, появляющихся под воздействием магнитных полей

Особенность поля состоит в том, что оно обладает способностью на высоких частотах изменять направление электромагнитных волн. Если в это поле поместить какой-нибудь металлический предмет, он начнет нагреваться без непосредственного контакта с индуктором под воздействием созданных вихревых токов.

Высокочастотный электрический ток, поступающий от инвертора к индукционной катушке, создает магнитное поле с постоянно изменяющимся вектором магнитных волн. Помещенный в это поле металл быстро разогревается

Отсутствие контакта позволяет сделать потери энергии при переходе из одного вида в другой ничтожными, чем и объясняется повышенный КПД индукционных котлов.

Чтобы подогреть воду для отопительного контура, достаточно обеспечить ее контакт с металлическим нагревателем. Часто в качестве нагревательного элемента используют металлическую трубу, через которую просто пропускают поток воды. Вода попутно охлаждает нагреватель, что значительно увеличивает срок его службы.

Электромагнит индукционного прибора получают путем намотки проволоки вокруг сердечника из ферромагнита. Полученная в результате катушка индукции разогревается и передает тепло нагреваемому телу или протекающему рядом теплоносителю через теплообменник

Индуктор на кухне

Варочная индукционная плита

Индукционные варочные поверхности для кухни стали уже привычными, см. рис. По принципу действия это та же индукционная печка, только в роли короткозамкнутой вторичной обмотки выступает днище любой металлической варочной посудины, см. рис. справа, а не только из ферромагнитного материала, как часто не знаючи пишут. Просто алюминиевая посуда выходит из употребления; медики доказали, что свободный алюминий – канцероген, а медная и оловянная давно уже не в ходу по причине токсичности.

Бытовая индукционная плитка – порождение века высоких технологий, хотя идея ее зародилась одновременно с индукционными плавильными печами. Во-первых, для изоляции индуктора от стряпни понадобился прочный, стойкий, гигиеничный и свободно пропускающий ЭМП диэлектрик. Подходящие стеклокерамические композиты появились в производстве сравнительно недавно, и на долю верхней пластины плиты приходится немалая доля ее стоимости.

Схема кухонной индукционной плиты

Затем, все варочные посудины разные, а их содержимое изменяет их электрические параметры, и режимы приготовления блюд тоже разные. Осторожным подкручиванием ручек до нужной моды тут и специалист не обойдется, нужен высокопроизводительный микроконтроллер. Наконец, ток в индукторе должен быть по санитарным требованиям чистой синусоидой, а его величина и частота должны сложным образом меняться сообразно степени готовности блюда. То есть, генератор должен быть с цифровым формированием выходного тока, управляемым тем самым микроконтроллером.

Делать кухонную индукционную плиту самому нет смысла: на одни только электронные компоненты по розничным ценам денег уйдет больше, чем на готовую хорошую плитку. И управлять этими приборами пока еще сложновато: у кого есть, тот знает, сколько там кнопочек или сенсоров с надписями: «Рагу», «Жаркое» и т.п. Автор этой статьи видал плитку, где значилось отдельно «Борщ флотский» и «Суп претаньер».

Тем не менее, индукционные плиты имеют массу преимуществ перед прочими:

• Почти нулевая, в отличие от микроволновок, ППЭ, хоть сам на эту плитку садись.
• Возможность программирования для приготовления самых сложных блюд.
• Растопка шоколада, вытапливание рыбьего и птичьего жира, приготовление карамели без малейших признаков пригорания.
• Высокая экономичность как следствие быстрого нагрева и почти полного сосредоточения тепла в варочной посуде.

Разогрев варочной посуды на индукционной плите и газовой конфорке

К последнему пункту: взгляните на рис. справа, там графики разогрева стряпни на индукционной плите и газовой конфорке. Кто знаком с интегрированием, тот сразу поймет, что индуктор на 15-20% экономичнее, а с чугунным «блином» его можно и не сравнивать. Затраты денег на энергоноситель при приготовлении большинства блюд для индукционной плиты сравнимы с газовой, а на тушение и варку густых супов даже меньше. Индуктор пока уступает газу только при выпечке, когда необходим равномерный прогрев со всех сторон.

Изготовление индукционных нагревателей

Индукционное отопление еще не столь популярно, как газовые и твердотопливные котлы. Подобное можно объяснить высокой стоимостью таких систем обогрева частных домов. Для бытового использования котёл, построенный на технологии индукции, обойдется в 30 000 рублей и выше. Поэтому неудивительно, что многие домовладельцы отказываются от покупки заводской техники и изготавливают ее самостоятельно. При наличии соответствующей схемы, недорогих комплектующих и умения читать техническую документацию можно буквально за несколько часов выполнить эффективный и полностью безопасный нагреватель на индукции для отопительного котла.

На основе трансформатора

Выполнить качественные нагревательные индукционные элементы можно на базе трансформатора с первичной и вторичной обмоткой. Необходимые для работы такого оборудования вихревые токи формируются в первичной обмотке и создают индукционное поле. Мощное электромагнитное поле воздействует на вторичную обмотку, которая является, по сути, индукционным нагревателем и испускает большое количество тепла, используемого для обогрева теплоносителя.

Конструкция самодельного индукционного нагревателя на базе трансформатора будет включать следующие элементы:

1. Сердечник трансформатора.
2. Обмотка.
3. Тепло и электроизоляция.

Сердечник выполняется в виде двух ферромагнитных трубок с различным диаметром. Они ввариваются друг в друга, после чего выполняется тороидальная обмотка из прочного медного провода. Делается не менее 85 витков с обязательным выдерживаем равного расстояния между ними. При пропускании электричества через сердечник и обмотку в замкнутом контуре создаются вихревые потоки, которые нагревают сердечник и вторичную обмотку. В последующем полученное тепло используется для нагрева теплоносителя.

Из высокочастотного сварочного аппарата

В схеме индуктора своими руками с использованием высокочастотного инвертора основными элементами является генератор переменного тока, нагревательные элементы и индукторы. Генератор будет необходим для преобразования стандартного напряжения с частотой в 50 Герц в высокочастотный электроток. После модулирования ток подается в катушку индуктора, имеющую цилиндрическую форму. Обмотка катушки выполняется из медной проволоки, что позволяет генерировать магнитное переменное поле, создающее нужные вихревые токи, за счёт появления которых происходит нагрев металлического корпуса водяной рубахи. Полученное тепло передаётся теплоносителю.

Выполнить качественный нагреватель на базе высокочастотного сварочного инвертора не составит труда. Необходимо лишь позаботиться о качественной и надежной теплоизоляции, что позволит обеспечить максимально высокие показатели КПД. В противном случае при отсутствии надежной теплоизоляции эффективность системы отопления существенно снижается, что приводит к значительному расходу электроэнергии на работу оборудования.

Есть как минимум 3 основных элемента, которые должны быть в рабочем состоянии в нагревателе

Преимущества и недостатки прибора

“Плюсов” у вихревого индукционного нагревателя великое множество. Это простая для самостоятельного изготовления схема, повышенная надежность, высокий КПД, относительно низкие затраты на электроэнергию, длительный срок эксплуатации, малая вероятность возникновения поломок и т.п.

Производительность прибора может быть значительной, агрегаты этого типа успешно используются в металлургической промышленности. По скорости нагрева теплоносителя устройства этого типа уверенно соперничают с традиционными электрическими котлами, температура воды в системе быстро достигает необходимого уровня.

Во время функционирования индукционного котла нагреватель слегка вибрирует. Эта вибрация стряхивает со стенок металлической трубы известковый осадок и другие возможные загрязнения, поэтому в очистке такой прибор нуждается крайне редко. Конечно, отопительную систему следует защитить от этих загрязнений с помощью механического фильтра.

Индукционная катушка нагревает металл (трубу или куски проволоки), помещенные внутри нее, с помощью высокочастотных вихревых токов, контакт не обязателен

Постоянный контакт с водой сводит к минимуму и вероятность перегорания нагревателя, что является довольно частой проблемой для традиционных котлов с ТЭНами. Несмотря на вибрацию, котел работает исключительно тихо, дополнительная шумоизоляция в месте установки прибора не понадобится.

Еще индукционные котлы хороши тем, что они практически никогда не протекают, если только монтаж системы выполнен правильно. Это очень ценное качество для электрического отопления, так как исключает или значительно сокращает вероятность возникновения опасных ситуаций.

Отсутствие протечек обусловлено бесконтактным способом передачи тепловой энергии нагревателю. Теплоноситель с помощью описанной выше технологии можно разогреть чуть ли не до парообразного состояния.

Это обеспечивает достаточную тепловую конвекцию, чтобы стимулировать эффективное перемещение теплоносителя по трубам. В большинстве случаев отопительную систему не придется оборудовать циркуляционным насосом, хотя все зависит от особенностей и схемы конкретной системы отопления.

Иногда циркуляционный насос необходим. Установить прибор относительно несложно. Хотя для этого понадобятся некоторые навыки монтажа электроприборов и отопительных труб. Но есть у этого удобного и надежного прибора ряд недостатков, с которыми также следует считаться.

Например, котел греет не только теплоноситель, но и все окружающее его рабочее пространство. Нужно выделить для такого агрегата отдельное помещение и удалить из него все посторонние предметы. Для человека длительное пребывание в непосредственной близости от работающего котла также может быть небезопасным.

Для работы индукционным нагревателям необходим электроток. Как самоделки, так и оборудование заводского изготовления подключают к бытовой сети переменного тока

Для работы прибора необходима электроэнергия. В местностях, где свободный доступ к этому благу цивилизации отсутствует, индукционный котел будет бесполезен. Да и там, где наблюдаются частые перебои с электричеством, он продемонстрирует невысокую эффективность

При неосторожном обращении с прибором может произойти взрыв

Если перегреть теплоноситель, он превратится в пар. В результате давление в системе резко возрастет, чего трубы просто не выдержат, их разорвет. Поэтому для нормальной работы системы прибор следует снабдить как минимум манометром, а еще лучше – устройством аварийного отключения, терморегулятором и т.п.

Все это может заметно повысить стоимость самодельного индукционного котла. Хотя прибор и считается практически бесшумным, это не всегда так. Некоторые модели в силу разных причин могут все же издавать некоторые шумы. Для устройства, выполненного самостоятельно, вероятность такого исхода возрастает.

В конструкции как заводских, так и самодельных индукционных нагревателей практически нет изнашивающихся компонентов. Они долго служат и безупречно работают

Схема принципиальная электрическая

Вот оригинальная схема генератора индукционного нагревателя, а ниже неё чуть изменённый вариант, по которому и была собрана конструкция мини ТВЧ установки. Ничего дефицитного тут нет — купить придётся только полевые транзисторы, использовать можно BUZ11, IRFP240, IRFP250 или IRFP460. Конденсаторы специальные высоковольтные, а питание будет от автомобильного аккумулятора 70 А/ч — он будет очень хорошо держать ток.

Проект на удивление оказался успешным — всё заработало, хоть и собрано было «на коленке» за час. Особенно порадовало что не требует сеть 220 В — авто аккумуляторы позволяют питать её хоть в полевых условиях (кстати, может из неё походную микроволновку сделать?). Можно поэкспериментировать в направлении чтобы снизить напряжение питания до 4-8 В как от литиевых АКБ (для миниатюризации) с сохранением хорошей эффективности нагрева. Массивные металлические предметы конечно плавить не получится, но для мелких работ пойдёт.

Ток потребления от источника питания 11 А, но после прогрева падает до примерно 7 A, потому что сопротивление металла при нагреве заметно увеличивается. И не забудьте сюда использовать толстые провода, способные выдержать более 10 А тока, иначе провода при работе станут горячие.

Вихревой индукционный нагреватель

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.

Достаточно популярным является вихревой индукционный нагреватель

К основным преимуществам использования ВИН в качестве “сердца” отопительной системы можно отнести то, что:

• Нагрев происходит практически моментально, ведь тепло возникает непосредственно в детали;
• С годами установка работает с той же мощностью, ее производительность не снижается;
• В сравнении с обычными электрическими нагревательными элементами, индукционный вихревой аппарат экономит до 50% электроэнергии.

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.

Оценка маркетинговых характеристик-утверждений

Индукционным котлам отопления приписывают множество достоинств, часто – без аргументов. Перечислим эти характеристики и дадим оценку степени соответствия утверждений факту:

Экономичность

Потребление электроэнергии индукционными котлами на 20-30% меньше, чем другими обогревателями на электричестве.

Факт

Все нагревательные электроприборы, не выполняющие механической работы, 100% энергии электрического тока превращают в тепло, их КПД всегда ниже 100%, но отличается по величине у разных устройств в разных условиях. Для выработки 1 КВт тепловой энергии необходимо затратить более 1 КВт электричества, а вот насколько более —  зависит от параметров среды рассеивания. Внутри котла потери, конечно, тоже присутствуют – например, на нагрев катушки, так как любой материал проводника имеет сопротивление, но все эти потери остаются внутри помещения

Возможно, этим фактом и обусловлено утверждение об экономичности индукционных котлов.

Долговечность

Высокая надёжность и большой ресурс оборудования — более 25 лет.

Факт

Действительно, отсутствие подвижных деталей исключает механический износ индукционных котлов. Но в систему отопления с ВИН-агрегатом входит циркуляционный насос, ресурс которого гораздо скромнее. Кроме того, в систему управления и автоматики входят механизмы, также состоящие из многих комплектующих, подверженных износу.

Сердечник индукционного нагревателя функционирует в условиях постоянного циклического нагрева и охлаждения, температурных деформаций, которые тоже являются отрицательным фактором. Поэтому называть ресурс индукционных котлов чуть ли не безграничным – преувеличение. Однако он и в самом деле в разы выше ТЭНовых нагревателей.

Неизменность характеристик за весь срок эксплуатации

Отсутствие процесса образования накипи на внутренней поверхности труб обуславливает постоянную эффективность нагревателя и теплообменника.

Факт

Накипь – это отложение солей, содержащихся в воде (теплоносителе). Количество этих примесей в ограниченном объёме теплоносителя также ограничено и невелико, поэтому влияние накипи на эффективность обогревателя незначительно. А в индукционном котле вторичная обмотка находится под почти постоянным воздействием вибрации, и образования накипи не происходит вообще. Так что утверждение верное, преувеличена лишь его значимость.

Бесшумность

Работа индукционных обогревательных котлов бесшумна, что отличает их от других электрических отопителей.

Факт

Утверждение справедливо, но — все бойлеры на электроэнергии не шумят при работе, так как в диапазон их колебаний акустические волны не входят. Шуметь может только циркуляционный насос, но при желании можно подобрать модель бесшумного действия.

Компактность

Индукционные котлы компактны, что удобно при выборе места их установки.

Факт

Это действительно так, если не применять каскада индукционных котлов и не устанавливать промежуточных резервуаров при наличии нескольких точек горячего водозабора в системе горячего водоснабжения, так как индукционный нагреватель – это по большому счёту небольшой кусок трубы с обмоткой.

Факт

Абсолютно безопасных электронагревателей не существует. При эксплуатации индукционных устройств не исключена вероятность утечки теплоносителя из системы, а генератор электромагнитного поля продолжит свою работу, и система пустых труб будет нагреваться. Для предотвращения возникновения такой ситуации в конструкции котла предусмотрено устройство автоматического отключения, но ведь и оно может выйти из строя.

Поэтому индукционные обогреватели, выигрывая у соперников по некоторым критериям безопасности, полностью безопасными не являются.