индукционный водонагреватель своими руками схема

Содержание

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.

Галерея изображенийНезависимо от конструктивной сложности, габаритов и решаемых задач основными его компонентами являются индуктор, генератор вихревых токов и нагревательный элементНесомненным преимуществом индукционных нагревателей является быстрый разогрев при существенно более низких потребностях в электроэнергии по сравнению с другими нагревающими приборамиВеским минусом индукционных нагревателей признают обязательную необходимость в наличии источника энергии. Без электричества прибор совершенно бесполезенЕсли самодельный индукционный нагреватель установить на металлический отопительный трубопровод, то он будет не только эффективно греть теплоноситель, но и стимулировать движение нагретой жидкости по контуруДля того чтобы инвертор нормально работал в схеме с индукционной катушкой, его подключают через терморегулятор. К выходам подключают выпрямительные диоды, иначе система будет работать как электромагнит, а не как индукционный нагревательСамым простым генератором индукционных токов для самодельного нагревателя послужит инвертор, применяемый обычно в электросваркеИндукционную катушку, вырабатывающую вихревые токи, подключают к полюсам инвертора, при включении которого в сеть сразу начинает генерироваться тепловая энергияПринцип индукции применяется не только в подготовке теплоносителя и нагреве санитарной воды для гигиенических целей. Он используется в плавке металловСборка простейшего индукционного нагревателяБыстрое разогревание вихревыми токамиОбязательный доступ к источнику энергииНагрев металлической трубкиМодернизация обычного инвертораИспользование инвертора в качестве генератораТочки подключения индукционной катушкиПрименение индукции в плавке металлов

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

Полезные советы по безопасности

Несколько рекомендаций помогут избежать аварийных ситуаций:

Индукционные нагреватели допускается применять только в системах с принудительной циркуляцией. Тепло вырабатывается довольно интенсивно, поэтому при естественной циркуляции, тем более с учетом значительного гидравлического сопротивления сердечника из рубленой проволоки, возможен перегрев теплоносителя.
Не следует пренебрегать предохранительным клапаном. Он должен быть смонтирован либо на нагревателе, как было рассказано выше, либо в другом месте системы. Очевидно, что при выходе циркуляционного насоса из строя перегрева теплоносителя избежать не удастся, а при отсутствии предохранительного клапана такое явление приведет к разрыву системы.
Подключать нагреватель следует через УЗО. Желательно, также, дооборудовать систему отопления термостатом.

Часто умельцы помещают самодельный индукционный нагреватель в утепленный металлический корпус. В таком случае он должен быть заземлен.

Из-за отсутствия у самодельного «индукционника» полноценного экранирования его следует размещать не ближе 80-ти см от потолка или пола. Расстояние между прибором и стеной должно составлять не менее 30 см.

Помните, что переменное электромагнитное поле существует не только внутри катушки, но и снаружи, поэтому оно может нагревать любые находящиеся рядом металлические предметы. Например, застежки или пуговицы на одежде пользователя.

Технология индукционного нагрева нашла широкое применение в промышленности и стала проникать в бытовую сферу. Индукционные котлы отопления привлекают своей экономичностью и простотой конструкции. Читайте об устройстве прибора и смотрите примеры самодельных конструкций.

О видах чугунных отопительных печей и вариантах их установки вы узнаете в этом материале.

Реализация в бытовых условиях

Индукционное отопление ещё не завоевало в достаточной степени рынок из-за высокой стоимости самой системы обогрева. Так, например, для промышленных предприятий подобная система обойдётся в 100 000 рублей, для бытового использования – от 25 000 руб. и выше. Поэтому вполне понятен интерес к схемам, которые позволяют создать самодельный индукционный нагреватель своими руками

Индукционный котел отопления

На базе трансформатора

Основным элементом системы индукционного отопления с трансформатором станет само устройство, у которого есть первичная и вторичная обмотки. Вихревые потоки будут формироваться в первичной обмотке и создадут электромагнитное индукционное поле. Это поле будет воздействовать на вторичную, которая и есть, по сути, индукционный нагреватель, реализованный физически в виде корпуса котла отопления. Именно вторичная короткозамкнутая обмотка передает энергию теплоносителю.

Вторичная короткозамкнутая обмотка трансформатора

Главными элементами установки индукционного нагрева являются:

сердечник;
обмотка;
два вида изоляции – тепло- и электроизоляция.

Сердечник – это две ферримагнитные трубки разного диаметра с толщиной стенок не менее 10 мм, вваренные друг в друга. Тороидальная обмотка из медного провода производится по внешней трубке. Необходимо наложить от 85 до 100 витков с равным расстоянием между витками. Переменный ток, изменяясь во времени, создаёт вихревые потоки в замкнутом контуре, которые и нагревают сердечник, следовательно, и теплоноситель, осуществляя индукционный нагрев.

С использованием высокочастотного сварочного инвертора

Индукционный нагреватель может быть создан с использованием сварочного инвертора, где главными компонентами схемы служат генератор переменного тока, индуктор и нагревательный элемент.

Генератор используется для преобразования стандартной частоты в сети электропитания 50 Гц в в ток с более высокой частотой. Этот модулированный ток подаётся на цилиндрическую катушку-индуктор, где в качестве обмотки используется медная проволока.

Медная проволока для обмотки

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

Применяемые в конструкциях материалы и инструменты

Схема работы индукционного нагревателя.

Кусачки.
Паяльник.
Сварочный инвертор (трансформатор).
Катанка или нержавеющая проволока диаметром 5-8 мм
Медный провод (в эмали) калибра 1,5-2 мм
Железные трубки (диаметр 10-25 мм).
Пластиковая труба калибра 45-50 мм.
Сантехническая фурнитура, взрывной клапан.
Полевые транзисторы, диоды, стабилитроны, конденсаторы и резисторы.

Как видим, имея навыки в обращении с простыми инструментами, любой желающий может собрать индукционный нагреватель сам. Главное при этом — не забывать при работах и при использовании таких нагревателей о технике безопасности.

Устройство и принцип работы котла

При пропускании электрического тока через токопроводящий материал в последнем происходит выделение тепла, мощность которого прямо пропорциональна силе тока и его напряжению (закон Джоуля — Ленца). Вызвать протекание тока в проводнике можно двумя способами. Первый состоит в его непосредственном подключении к источнику электричества. Этот способ будем называть контактным.

Второй – бесконтактный – был открыт Майклом Фарадеем в начале19-го века. Ученый выяснил, что при изменении параметров магнитного поля, пересекающего проводник, в последнем появляется электродвижущая сила (ЭДС). Это явление получило название электромагнитной индукции. Где есть ЭДС – там будет и электроток, а значит и нагрев, причем в данном случае — бесконтактный. Такие токи называют наведенными или вихревыми или токами Фуко.

Индукционный котел отопления — принцип работы

Вызвать электромагнитную индукцию можно по-разному. Проводник можно перемещать или вращать в постоянном магнитном поле, как это делается в современных электрогенераторах. А можно менять параметры самого магнитного поля (интенсивность и направление силовых линий), оставляя при этом проводник неподвижным.

Подобные манипуляции с магнитным полем стали возможными благодаря еще одному открытию. Как выяснил Ханс-Кристиан Эрстед в 1820-м году, намотанный в виде катушки провод при подключении к источнику тока превращается в электромагнит. Меняя параметры тока (силу и направление), мы добьемся изменения параметров генерируемого данным устройством магнитного поля. При этом в проводнике, находящемся в этом поле, будет возникать электрический ток, сопровождающийся нагревом.

Ознакомившись с этим несложным теоретическим материалом, читатель наверняка уже представил себе в общих чертах устройство индукционного котла отопления. Действительно, он имеет довольно простую конструкцию: внутри экранированного и теплоизолированного корпуса имеется труба из особого сплава (можно использовать и сталь, но характеристики при этом будут чуть хуже), установленная в гильзе из диэлектрического материала; на гильзу в виде катушки намотана медная шина, подключаемая к электросети.

Котел индукционный после монтажа

Посредством двух патрубков труба врезается в систему отопления, в результате чего по ней будет протекать теплоноситель. Переменный ток, протекающий через катушку, создаст переменное магнитное поле, которое в свою очередь наведет вихревые токи в трубе. Вихревые токи обусловят нагрев стенок трубы и частично теплоносителя по всему объему, заключенному внутри катушки. Для более быстрого нагрева вместо одной трубы может быть установлено несколько параллельных трубок меньшего диаметра.

Читатели, осведомленные о стоимости индукционных котлов, конечно, заподозрили, что в их конструкции имеется еще что-нибудь. Ведь не может теплогенератор, состоящий только из трубы и куска провода, стоить в 2,5 – 4 раза дороже ТЭНового аналога. Чтобы нагрев был достаточно интенсивным, через катушку нужно пропускать не обычный ток из городской сети с частотой 50 Гц, а высокочастотный, поэтому индукционный котел оснащается выпрямителем и инвертором.

Выпрямитель превращает переменный ток в постоянный, затем он подается на инвертор – электронный модуль, состоящий из пары ключевых транзисторов и управляющей схемы. На выходе инвертора ток снова становится переменным, только с уже гораздо большей частотой. Такой преобразователь имеется не во всех моделях индукционных котлов, некоторые из них все-таки работают на частоте в 50 Гц. Однако, применение высокочастотного переменного тока позволяет значительно уменьшить размеры устройства.

Принцип электромагнитной индукции

В различных описаниях авторы указывают на сходство индукционного котла с трансформатором. Это вполне справедливо: катушка из провода играет роль первичной обмотки, а труба с теплоносителем – замкнутой накоротко вторичной обмотки и одновременно магнитопровода.

Почему же тогда трансформатор не греется? Дело в том, что магнитопровод трансформатора выполнен не из цельного элемента, а из множества изолированных друг от друга пластин. Но даже эта мера не способна полностью предотвратить нагрев. Так, например, в магнитопроводе трансформатора напряжением 110 кВ в режиме холостого хода выделяется ни много ни мало 11 кВт тепла.

Собираем вихревой индукционный нагреватель

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.

Принципы работы

Для сборки индукционного котла своими руками необходимо изучить, из чего он состоит и понять принципы его работы.

Устройство нагревается за счет энергии электромагнитного поля. Теплоноситель ее забирает на себя и преобразует в тепло.

Магнитное поле создается в индукторе (это цилиндрическая катушка с большим количеством витков). Проходя через нее, электричество создает вокруг себя напряжение. Магнитный поток движется по замкнутому кругу перпендикулярно электрическому полю. Переменный ток создает вихревые потоки и генерирует энергию в тепло. Передача электроэнергии нагревателю происходит без прямого контакта.

Индукционное тепло расходуется эффективно и экономно, поэтому вода при таком способе нагревания за короткий промежуток времени достигает высоких температур. Теплоноситель получает около 97% энергии.

Компоненты индукционного водонагревателя

Организация системы отопления в собственном доме с помощью индукционного котла не потребует ее серьезной перепланировки. В основе используется трансформатор, состоящий из первичной и вторичной обмоток.

Вихревые потоки образуются в первичной обмотке из электрической энергии и создают электромагнитное поле. Оно попадает на вторичную, которая несет функцию нагревателя.

Вторичная обмотка представляет собой корпус котла. В него входят такие элементы, как:

внешняя обмотка;
сердечник;
электроизоляция;
тепловая изоляция.

Для подвода холодной воды в устройство и отвода теплой в систему отопления к водонагревателю устанавливают два патрубка. Нижний монтируют на вводный участок, а верхний на отводящую горячую воду часть.

Тепло, которое создается котлом, отдается теплоносителю. Чаще всего в его качестве выступает вода, так как она способна быстро забрать тепло. За счет встроенного насоса горячая вода через патрубок поступает в отопительную систему. Жидкость постоянно циркулирует, поэтому перегрев оборудования не возможен. Подается остывшая вода, а отводится горячая.

При циркуляции отопительная жидкость вибрирует, что не дает откладываться накипи внутри труб. Устанавливать индукционный водонагреватель можно в любом помещении, так как в процессе эксплуатации не создается шум.

Аккумуляторная батарея

От аккумулятора (АКБ) зависит расстояние, которое проедет самокат. Существуют несколько типов батарей: свинцово-кислотные, литий-полимерные, литий-ионные, литий-железофосфатные. Первые известны по использованию в мотоциклах и автомобилях. Имеют большой вес и мало, по сравнению с другими типами, количество циклов заряда-разряда.

Обратите внимание!

Кресло-качалка своими руками: ТОП-120 фото лучших вариантов изготовления. Мастер-класс по созданию кресла-качалки в домашних условиях
Коптильня из газового баллона — лучший мастер-класс по изготовлению самодельной коптильни с пошаговыми фото-схемами для начинающих
Компрессор своими руками: ТОП-130 фото-обзоров готовых компрессоров. Пошаговая инструкция + схемы и чертежи

Полимерные и ионные — наиболее подходящие по соотношению веса, технических характеристик и цены. У литий-полимерных батарей количество разрядов-зарядов до 800, у литий-ионных – до 1000 циклов. Оба типа мало весят и зависят от температуры окружающей среды. В холодную погоду разряд происходит быстрее. К тому же есть опасность возгорания или взрыва при перезаряде.

Литий-железофосфатный аккумулятор не боится механических повреждений, устойчив к низким температурам, не боится перезаряда и имеет до 2000 циклов заряда-разряда. Но он тяжелее и дороже полимерных и ионных аккумуляторов.

Блок аккумулятора можно купить готовый, можно собрать самостоятельно, например, на базе аккумуляторов типа 18650. Какой использовать – зависит от личных предпочтений и имеющихся ресурсов.

Установка батареи производится по-разному. Можно установить внизу в площадку, называемую дека. Этот вариант предпочтительнее, так как не поднимает центр тяжести. Но в этом случае требуется сделать дополнительную защиту от ударов и механических повреждений.

Еще одним местом установки АКБ является рулевая стойка. Там делается либо навесной контейнер, либо выполняется монтаж в стойке, если она сделана из нескольких труб.

Обратите внимание!

Ветрогенератор своими руками: ТОП-170 фото-обзоров готовых приборов. Подробная инструкция по самостоятельному изготовлению для начинающих
Точечная сварка своими руками — лучший мастер-класс по изготовлению самодельной точечной сварки с пошаговыми фото-схемами работы своими руками
Теннисный стол своими руками: ТОП-150 фото лучших идей изготовления. Мастер-класс по созданию теннисного стола в домашних условиях

Как бы ни монтировалась батарея, ее необходимо защитить от попадания влаги. Гидроизоляция электросамоката, сделанного своими руками, проводится с помощью изоленты, герметиков, изготовления влагозащитных кожухов.

Что понадобится

Для создания нагревателя металла своими руками, помимо рабочих инструментов также следует озаботиться подготовкой целого ряда вещей, приобрести которые следует отдельно:

Обратите внимание!

Усилитель звука своими руками: подбор материалов и инструментов для изготовления в домашних условиях + пошаговая инструкция по созданию и сборке своими руками
Ветрогенератор своими руками: пошаговая инструкция изготовления устройства в домашних условиях, выбор материалов и типа конструкции
Инкубатор своими руками: поэтапный мастер-класс по постройке своими руками, выбор строительных материалов и типа конструкции

Восьмисот миллиметровый отрезок медной трубы, с диаметром в 8-10 мм. С помощью медной проволоки в дальнейшем изготавливается индукционная катушка, излучающая магнитное поле, которое, впоследствии, нагревает металлическую емкость.

Высокомощные силовые транзисторы, приобретение которых станет основной тратой для всех желающих собрать индукционную плиту

Обратите внимание на то, что схема создания частотного генератора предусматривает наличие сразу двух силовых транзисторов

В качестве основного материала, предназначенного для создания колебательного контура, используется обыкновенный керамический конденсатор с характеристиками 0,1мФ и 1600В.

Диоды, применяемые в качестве рабочих элементов, согласно схеме, должны обладать высокой скоростью срабатывания. Индукционная печь своими руками, схема изготовления которой расположена в руководстве, является требовательным устройством на высокоскоростных диодах.

Обратите внимание!

Циклон своими руками: способы сборки устройства в домашних условиях, подготовка материалов и инструментов + пошаговая инструкция
Сабвуфер своими руками: типы устройств, функции, способы сборки и установки в домашних условиях + пошаговая инструкция и схемы для начинающих
Блютуз колонка своими руками — пошаговый мастер-класс изготовления и установки своими руками, необходимые материалы и инструменты

Резисторы: пара штук на 10кОм и 0,25Вт, и еще пара 440Ом и 2Вт. Также следует приобрести стабилитроны с характеристикой рабочего напряжения в 2Вт.

В качестве основного элемента питания используется стандартный блок на 500 ватт. Характеристика рабочего напряжения блока питания должна колебаться в промежутке от двенадцати до сорока ватт.

Используя все вышеприведенные материалы инструменты можно с легкостью собрать индуктор своими руками, схема которого рассматривается в статье.

Шаг 5: LC-контур

К этой части есть несколько подходов. Если вам нужен мощный нагреватель, вам понадобится конденсаторный массив для управления током и напряжением.

Во-первых, вам нужно определить, какую рабочую частоту вы будете использовать. Более высокие частоты имеют больший скин-эффект (меньшее проникновение) и хороши для небольших объектов. Более низкие частоты лучше для больших объектов и имеют большее проникновение. Более высокие частоты имеют большие потери при переключении, но через бак пройдет меньше тока. Я выбрал частоту около 70 кГц и дошел до 66 кГц.

Мой конденсаторный массив имеет ёмкость 4,4 мкФ и может выдерживать более 300А. Моя катушка около 1мкГн. Также я использую импульсные пленочные конденсаторы. Они представляют собой осевой провод из самовосстанавливающегося металлизированного полипропилена и имеют высокое напряжение, высокий ток и высокую частоту (0.22 мкФ, 3000В). Номер модели 224PPA302KS.

Я использовал две медные шины, в которых просверлил соответствующие отверстия с каждой стороны. Паяльником я припаял конденсаторы к этим отверстиям. Затем я прикрепил медные трубки с каждой стороны для водного охлаждения.

Не берите дешевые конденсаторы. Они будут ломаться, и вы заплатите больше денег, чем если бы вы сразу купили хорошие.