Меню Рубрики

Установки индукционного нагрева 10 квт

Как сделать высокочастотный индукционный нагреватель своими руками – схема простого индуктивного горна для нагрева металла электричеством

Сейчас мы узнаем как сделать своими руками индукционный нагреватель, который можно использовать для разных проектов или просто для удовольствия. Вы сможете мгновенно плавить сталь, алюминий или медь. Вы можете использовать её для пайки, плавления и ковки металлов. Вы можете использовать самодельный индуктивный нагреватель и для литья.

Мое учебное пособие охватывает теорию, компоненты и сборку некоторых из важнейших компонентов.

Инструкция большая, в ней мы рассмотрим основные шаги, дающие вам представление о том, что входит в такой проект, и о том, как его спроектировать, чтобы ничего не взорвалось.

Для печи я собрал очень точный недорогой криогенный цифровой термометр. Кстати, в тестах с жидким азотом он неплохо себя показал против брендовых термометров.

Шаг 1: Компоненты

Основные компоненты высокочастотного индукционного нагревателя для нагрева металла электричеством — инвертор, драйвер, соединительный трансформатор и колебательный контур RLC. Вы увидите схему чуть позже. Начнем с инвертора. Это — электрическое устройство, которое изменяет постоянный ток на переменный. Для мощного модуля он должен работать стабильно. Сверху находится защита, которая используется, чтобы защитить привод логического элемента МОП-транзистора от любого случайного перепада напряжения. Случайные перепады вызывают шум, который приводит к переключению на высокие частоты. Это приводит к перегреву и отказу МОП-транзистора.

Линии с большой силой тока находятся внизу печатной платы. Много слоев меди используются, чтобы позволить им пропускать более 50А тока. Нам не нужен перегрев. Также обратите внимание на большие алюминиевые радиаторы с водяным охлаждением с обеих сторон. Это необходимо, чтобы рассеивать тепло, вырабатываемое МОП-транзисторами.

Изначально я использовал вентиляторы, но чтобы справиться с этой мощностью, я установил небольшие водяные насосы, благодаря которым вода циркулирует через алюминиевые теплоотводы. Пока вода чистая, трубки не проводят ток. У меня также установлены тонкие слюдяные пластины под МОП-транзисторами, чтобы гарантировать отсутствие проводимости через стоки.

Шаг 2: Схема инвертора

Это схема для инвертора. Схема на самом деле не такая сложная. Инвертированный и неинвертированный драйвер повышает или понижает напряжение 15В, чтобы настроить переменный сигнал в трансформаторе (GDT). Этот трансформатор изолирует чипы от мосфетов. Диод на выходе мосфета действует для ограничения пиков, а резистор минимизирует колебания.

Конденсатор C1 поглощает любые проявления постоянного тока. В идеале, вам нужны самые быстрые перепады напряжения на цепи, так как они уменьшают нагрев. Резистор замедляет их, что кажется нелогичным. Однако если сигнал не угасает, вы получаете перегрузки и колебания, которые разрушают мосфеты. Больше информации можно получить из схемы демпфера.

Диоды D3 и D4 помогают защитить МОП-транзисторы от обратных токов. C1 и C2 обеспечивают незамкнутые линии для проходящего тока во время переключения. T2 — это трансформатор тока, благодаря которому драйвер, о котором мы поговорим далее, получает обратный сигнал от тока на выходе.

Шаг 3: Драйвер

Эта схема действительно большая. Вообще, вы можете прочитать про простой маломощный инвертор. Если вам нужна большая мощность, вам нужен соответствующий драйвер. Этот драйвер будет останавливаться на резонансной частоте самостоятельно. После того, как ваш металл расплавится, он останется заблокированным на правильной частоте без необходимости какой-либо регулировки.

Если вы когда-либо строили простой индукционный нагреватель с чипом PLL, вы, вероятно, помните процесс настройки частоты, чтобы металл нагревался. Вы наблюдали за движением волны на осциллографе и корректировали частоту синхронизации, чтобы поддерживать эту идеальную точку. Больше не придется этого делать.

В этой схеме используется микропроцессор Arduino для отслеживания разности фаз между напряжением инвертора и емкостью конденсатора. Используя эту фазу, он вычисляет правильную частоту с использованием алгоритма «C».

Сигнал емкости конденсатора находится слева от LM6172. Это высокоскоростной инвертор, который преобразует сигнал в красивую, чистую квадратную волну. Затем этот сигнал изолируется с помощью оптического изолятора FOD3180. Эти изоляторы являются ключевыми!

Далее сигнал поступает в PLL через вход PCAin. Он сравнивается с сигналом на PCBin, который управляет инвертором через VCOout. Ардуино тщательно контролирует тактовую частоту PLL, используя 1024-битный импульсно-модулированный сигнал. Двухступенчатый RC-фильтр преобразует сигнал PWM в простое аналоговое напряжение, которое входит в VCOin.

Как Ардуино знает, что делать? Магия? Догадки? Нет. Он получает информацию о разности фаз PCA и PCB от PC1out. R10 и R11 ограничивают напряжение в пределах 5 напряжений для Ардуино, а двухступенчатый RC-фильтр очищает сигнал от любого шума. Нам нужны сильные и чистые сигналы, потому что мы не хотим платить больше денег за дорогие мосфеты после того, как они взорвутся от шумных входов.

Шаг 4: Передохнём

Это был большой массив информации. Вы можете спросить себя, нужна ли вам такая причудливая схема? Зависит от вас. Если вы хотите автонастройку, тогда ответ будет «да». Если вы хотите настраивать частоту вручную, тогда ответ будет отрицательным. Вы можете создать очень простой драйвер всего лишь с таймером NE555 и использовать осциллограф. Можно немного усовершенствовать его, добавив PLL (петля фаза-ноль)

Тем не менее, давайте продолжим.

Читайте также:  Установка ксенона в головной свет

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.

Шаг 6: Сборка трансформатора

Если вы внимательно читали статью, вы зададите вопрос: а как управлять LC-контуром? Я уже рассказывал об инверторе и контуре, не упоминая, как они связаны.

Соединение осуществляется через соединительный трансформатор. Мой от Magnetics, Inc. Номер детали — ZP48613TC. Adams Magnetics также является хорошим выбором при выборе ферритовых тороидов.

Тот, что слева, имеет провод 2мм. Это хорошо, если ваш входной ток ниже 20А. Провод перегреется и сгорит, если ток больше. Для высокой мощности вам нужно купить или сделать литцендрат. Я сделал сам, сплетя 64 нити из проволоки 0.5мм. Такой провод без проблем может выдержать ток 50А.

Инвертор, который я показал вам ранее, принимает высоковольтный постоянный ток и изменяет его на переменные высокие или низкие значения. Эта переменная квадратная волна проходит черезч соединительный трансформатор через переключатели мосфета и конденсаторы связи постоянного тока на инверторе.

Медная трубка из емкостного конденсатора проходит через нее, что делает ее одновитковой вторичной обмоткой трансформатора. Это, в свою очередь, позволяет сбрасываемому напряжению проходить через конденсатор емкости и рабочую катушку (контур LC).

Шаг 7: Делаем рабочую катушку

Один из вопросов, который мне часто задавали: «Как ты делаешь такую изогнутую катушку?» Ответ — песок. Песок будет препятствовать разрушению трубки во время процесса изгиба.

Возьмите медную трубку от холодильника 9мм и заполните ее чистым песком. Перед тем, как сделать это, закройте один конец какой-нибудь лентой, а также закройте другой после заполнения песком. Вкопайте трубу соответствующего диаметра в землю. Отмерьте длину трубки для вашей катушки и начните медленно наматывать её на трубу. Как только вы сделаете один виток, остальные будет сделать несложно. Продолжайте наматывать трубку, пока не получите количество желаемых витков (обычно 4-6). Второй конец нужно выровнять с первым. Это упростит подключение к конденсатору.

Теперь снимите колпачки и возьмите воздушный компрессор, чтобы выдуть песок. Желательно делать это на улице.

Обратите внимание, что медная трубка также служит для водного охлаждения. Эта вода циркулирует через емкостный конденсатор и через рабочую катушку. Рабочая катушка генерирует много тепла от тока. Даже если вы используете керамическую изоляцию внутри катушки (чтобы удерживать тепло), вы по-прежнему будете иметь чрезвычайно высокие температуры в рабочем пространстве, нагревающие катушку. Я начну работу с большим ведром ледяной воды и через некоторое время она станет горячей. Советую заготовить очень много льда.

Шаг 8: Обзор проекта

Выше представлен обзор проекта на 3 кВт. Он имеет простой PLL-драйвер, инвертор, соединительный трансформатор и бак.

Видео демонстрирует 12кВт индукционный горн в работе. Основное различие заключается в том, что он имеет управляемый микропроцессором драйвер, более крупные МОП-транзисторы и теплоотводы. Блок 3кВт работает от 120В переменного тока; блок 12 кВт использует 240В.

Рассказываю как сделать какую-либо вещь с пошаговыми фото и видео инструкциями.

источник

Индукционный котел — лучший источник электротепла для отопительных систем

В этой статье: история создания индукционных котлов; принцип работы и устройство котла; плюсы и минусы индукционных котлов; как установить котел в отопительную систему закрытого типа; выбор индукционного котла.

Топливо органического происхождения, как-то дрова, уголь, нефтепродукты и природный газ, составляют основную группу энергоносителей на Земле, используемых для отопления наших домов и квартир. Однако любая его разновидность имеет два серьезных недостатка, причем второй на бытовом уровне особенно критичен — однажды органического топлива не будет вообще по причине полной выработки, раздобыть его в некоторых районах СНГ по каким-либо причинам крайне затруднительно. И в такой безвыходной ситуации домовладельцы обращаются к отопительным электрокотлам, причем выбор их лежит между котлами с тэнами и котлами с тепловыми электронагревателями — т.е. выбора, как такового, нет. А ведь существуют еще электрические индукционные котлы, причем их эксплуатационные характеристики достаточно высоки…

История индукционного котла

Примерно с 1822 по 1831 годы блестящий английский ученый и исследователь Майкл Фарадей проводил серию опытов с целью преобразования магнетизма в электроэнергию. И только в конце августа 1831 года очередной опыт Фарадея дал результат, на который ученый так рассчитывал — получив электроток в первичной проволочной обмотке, намотанной на круглый сердечник из железа, он открыл электромагнитную индукцию.

Читайте также:  Установка get a life

Открытие Майкла Фарадея первоначально использовалось в трансформаторах, генераторах и двигателях, а по настоящему востребованным стало лишь спустя 70 лет — с начала XX века темпы развития промышленности потребовали новых способов плавления металлов в условиях цеха. И первая индукционная плавильня была открыта в английском Шеффилде, в 1927 году.

В 80-х годах XX века были созданы индукционные котлы, использовавшиеся для отопления на промышленных предприятиях, в том числе и в СССР: первый их тип потреблял ток частотой 50 Гц, второй — частотой от 1 кГц и выше. Размеры и вес промышленных индукционных котлов довольно внушительны, теплоноситель в них циркулирует по вторичной обмотке из труб, размещенной поверх металлического сердечника с первичной обмоткой. Серийные модели индукционных котлов, предназначенных для бытовых систем отопления и отличающиеся от промышленных аналогов значительно меньшими размерами и весом, появились в России в 90-е годы прошлого века.

Следует отметить, что физик-изобретатель Николо Тесла никакого прямого отношения к индукционному котлу не имеет — разве что, открытием переменного электротока.

Устройство и принцип работы

Корпус индукционного котла многослойный — сердечник с двойной стенкой, затем слой электро- и теплоизоляции, далее внешний (наружный) корпус. В отличие от промышленных индукционных котлов с цилиндрической обмоткой, в бытовых котлах используется тороидальная обмотка медным проводом, выполненная между двумя сваренными друг с другом трубами из ферромагнитной стали со стенкой более 10 мм, диаметр внутренней меньше диаметра внешней. В результате достигается меньший вес, больший КПД и малые габариты котла, по сравнению с промышленными аналогами. Внутренняя труба с тороидальной обмоткой выполняет роль сердечника (магнитопровода), внутренняя — нагревательного элемента для теплоносителя.

Теплоноситель, вода или антифриз, поступает в котел через вводный патрубок, вваренный сквозь обе металлические трубы. Благодаря большой внутренней площади внутренней трубы-теплообменника теплоноситель получает порядка 98% тепловой энергии, генерируемой индукционным котлом, причем за более короткое время, чем нагрев при помощи тэнов, по причине меньшей инерции. Индукционный ток, генерируемый высокочастотным магнитным полем с внешней обмотки на внутреннюю трубу, вызывает нагрев теплоносителя, в то время как вибрации стенок в высоких частотах не позволяют накипи отложиться на металлических стенках. Внешний электро- и теплоизоляционный слой обеспечивает полную защиту от возможных утечек электротока и теплопотерь.

Переменный ток под напряжением, частота которого около 20 кГц, поступает к котлу от полупроводникового инверторного преобразователя. Помимо инвертора в комплектацию инверторного котла входят электронный терморегулятор (датчик температуры встроен в корпус котла) и автоматические выключатели.

Нагрев теплоносителя в индукционном котле происходит за счет нагрева стального сердечника вихревыми токами, вызванными электромагнитным полем, генерируемым током высокого напряжения. При подключении питания котла происходит следующее — ток под высоким напряжением поступает на первичную тороидальную обмотку котла, возникшее в результате электромагнитное поле вдавливает вихревые токи в наружную поверхность стального сердечника, их плотность возрастает и труба сердечника нагревается сначала снаружи, а затем и полностью. Выработанное котлом тепло поглощается циркулирующим через него теплоносителем и доставляется к отопительным приборам. На нагрев сердечника индукционного котла до рабочей температуры 75°С уходит порядка 7 минут.

Характеристики индукционного котла

Данный вид отопительных котлов имеет ряд преимуществ перед традиционными тэновыми нагревателями, однако у него есть и недостатки, в том числе и специфичные только для таких котлов. Рассмотрим пристально плюсы и минусы индукционных котлов, начиная с положительных характеристик:

  • полное отсутствие каких-либо нагревательных элементов, а также подвижных и высоконагруженных элементов, подвергающихся износу во время эксплуатации и требующих периодической замены;
  • возможность работы от электросети с низким напряжением и с постоянным током, что обычно недопустимо для электрокотлов других типов;
  • конструкция котла не содержит разъемных соединений, т.е. вероятность протечки полностью исключена;
  • значительно более быстрый нагрев до рабочей температуры, по сравнению с любыми другими видами отопительных электрических котлов;
  • защищенность от образования накипи *;
  • высокая пожаро- (класс II) и электробезопасность, поскольку нагревательный элемент (сердечник) электрически не связан с индуктором (первичной обмоткой) напрямую, а разница температур между сердечником и теплоносителем не превышает 30°С;
  • конструкция котла не требует установки дымохода;
  • нет необходимости устанавливать индукционный котел в отдельном помещении;
  • как и у любого электрического нагревателя, КПД такого котла близоко к 100%. Кстати, это значение не меняется с годами его эксплуатации, в отличие от котлов с тэнами и электродных;
  • средний срок службы составляет 25 лет и выше (зависит от толщины металлических труб, образовывающих сердечник котла), причем никаких профилактических работ с этим оборудованием производить не требуется;
  • позволяет использовать в отопительной системе практически любой теплоноситель (воду, антифриз, масло и т.д.), причем без какой-либо его предварительной подготовки;
  • замена отработавшего теплоносителя в отопительной системе производится один раз в 10 лет;
  • абсолютная бесшумность при работе;
  • низкая инерционность, что позволяет экономить электроэнергию за счет эффективного управления работой котла при помощи электронной автоматики **. Следует отметить, что инерционность индукционных котлов ниже, чем у тэновых водонагревателей, однако более высокая, чем у электродных котлов ;
  • монтаж котла не требует привлечения специалистов высокой квалификации;
  • допускается использование для любых закрытых систем отопления, в том числе для «теплого пола» и для плинтусного отопления — минимальный порог температуры нагрева теплоносителя составляет 35°С.
Читайте также:  Установка бензинового мотора вместо дизельного

* — отложения накипи на внутренних поверхностях трубы-сердечника не образуются за счет малой разницы температур между нагревателем и теплоносителем, не превышающей 30°С, а также из-за высокочастотных вибраций, вызванных вихревыми токами, отталкивающих ионы солей от внутренних стенок трубы.

** — электронное управление индукционным котлом обеспечивает меньшее энергопотребление за счет поддержания температуры на строго заданном уровне, т.е. при ее нарастании электропитание котла немедленно отключается и возобновляется лишь при снижении температуры ниже заданной пользователем.

Следует отметить, что максимально допустимое давление в отопительной системе с нагревом теплоносителя от индукционного котла не должно превышать 0,3 МПа.

Минусы индукционных котлов:

  • значительные размеры и вес. К примеру, однофазный котел мощностью 2,5 кВт, при высоте в 450 мм и диаметре 121 мм, весит 23 кг;
  • высокая стоимость — от 30000 руб. и выше. Отчасти цена индукционных котлов объясняется присутствием в системе управления инверторного пускателя, который сам по себе недешев;
  • установка только в закрытые отопительные системы;
  • при работе, в зависимости от мощности котла, генерируются помехи в длинноволновом, средневолновом и УКВ-радиодиапазоне на дистанции нескольких метров от его местоположения, полностью экранировать которые невозможно. Впрочем, на человеческий организм это не оказывает никакого воздействия, лишь домашние животные (собаки, кошки) способны почувствовать их.

Как установить индукционный котел

Установка таких котлов допускается только в закрытую отопительную систему, оснащенную насосом принудительной циркуляции и расширительным бачком-экспанзоматом. Индукционный котел выставляется строго вертикально, к патрубку ввода (в зависимости от модели расположен снизу или сбоку, в нижней части корпуса) подключается обратка контура отопления, к выводному патрубку (находится в верхней боковой части корпуса или сверху) — подающий трубопровод. Индукционный котел крепится к стене при помощи креплений, способных выдержать его собственный вес и массу теплоносителя, заполняющего котел во время его работы. Дистанция от корпуса котла до любого близлежащего предмета, стен, потолка и пола должна быть не меньше 300 мм по его бокам, не меньше 800 мм — снизу и сверху.

В ходе установочных работ индукционный котел необходимо обязательно заземлить. Обвязка металлическими трубами не требуется, можно подсоединять металлопластиковые трубы контура непосредственно к патрубкам котла. В отрезок трубопровода, расположенный неподалеку от выводного патрубка котла, встраивается группа безопасности — манометр, воздухотводчик-автомат и подрывной клапан. Запорную арматуру можно устанавливать в отопительный контур после точек размещения группы безопасности, бачок-экспанзомат — на участке обратки. После точки размещения экспанзомата и до ввода трубопровода обратки в индукционный котел, в контур последовательно встраивают фильтр-отстойник, сетчатый фильтр грубой очистки, циркуляционный насос и датчик потока (позволяет контролировать проток теплоносителя по обратному контуру, его поступление в котел). Система управления индукционным котлом устанавливается согласно правил ПУЭ и подключается к котлу согласно схем, приведенных в его техническом паспорте.

Как выбрать индукционный котел

На российском рынке в основном представлены одно- и трехфазные индукционные котлы двух отечественных производителей — ООО «Альтернативная энергия» (брэнд «ВИН») и ЗАО «НПК «ИНЭРА» (брэнд «SAV»), мощностью от 2,5 до 7 кВт (однофазные) и от 7 до 60 кВт (трехфазные).

Помимо обязательных элементов, которыми оснащается отопительная система с индукционным котлом, и для облегчения его управления допускается комплектация блоком электронного программатора режимов работы котла на одну неделю или программатора, позволяющего управлять работой отопительной системы удаленно, по GSM-каналу.

Учитывая, что мощность индукционных котлов не снижается с годами эксплуатации, то подбор необходимой модели производится по соотношению 60 Вт на м2 площади, которую необходимо отапливать. К примеру, для помещений общей площадью 20 м2 понадобится котел мощностью 3 кВт. Для точного расчета необходимой мощности котла применительно к конкретному зданию, необходимо привлечение специалистов, которые оценят степень утепления помещений в нем.

Гарантийный срок для индукционных котлов составляет 3 года на сам котел и год на электрооборудование шкафа, которым он комплектуется. Определяющим моментом в длительности срока безаварийной эксплуатации таких котлов является толщина стальной внутренней трубы-сердечника — чем ее стенка толще, тем дольше она сможет противостоять коррозионным процессам. Оптимальная толщина стенки трубы-сердечника — 10 мм.

Удобство использования электрических индукционных котлов также заключается в возможности поддержания оптимальной температуры в зданиях, навещаемых хозяевами периодически, наездами. В этом случае особенно мощная модель не понадобится, поскольку даже 6 кВт котел способен поддерживать температуру в доме площадью, к примеру, в 120 м2 на уровне 12–15°С. А поскольку в дачном коттедже обычно имеется камин, то, растопив его, можно легко и быстро поднять поддерживаемую индукционным котлом температуру до комфортного уровня, что было бы невозможно в не отапливаемом здании.

источник

Популярные записи