Изготовление индукционной печи своими руками

Схема универсального генератора

Рис.4. Более современная схема

Современные индукционные печи работают на более совершенных элементах – микросхемах и транзисторах. Большим успехом пользуется универсальная схема двухтактного генератора, развивающая мощность до 1 кВт. Принцип работы основан на генераторе независимого возбуждения, при этом индуктор включен в режиме моста (рис. 4).

Достоинства двухтактного генератора, собранного по такой схеме:

1. Возможность работать на 2-й и 3-й моде помимо основной.
2. Присутствует режим поверхностного нагрева.
3. Диапазон регулирования 10-10000 кГц.
4. Мягкий спектр излучения во всем диапазоне.
5. Не нуждается в дополнительной защите.

Перестройка частоты осуществляется с помощью переменного резистора R₂. Рабочий диапазон частот задается конденсаторами C₁ и C₂. Межкаскадный согласующий трансформатор должен быть с кольцевым ферритовым сердечником сечением не менее 2 кв.см. Намотка трансформатора делается из эмалированного провода сечением 0,8-1,2 мм. Транзисторы нужно усадить на общий радиатор площадью от 400 кв.см.

Канальное плавильное устройство

Канальный тип индукционной сталеплавильной печи имеет в конструкции электромагнитный сердечник. Принцип действия прибора заключается в движении переменного магнитного потока через магнитопровод. В кольце с жидким металлом происходит возбуждение электрического тока, разогревает шихту до заданной температуры. Технология применяется в литейном производстве, миксерах, пищевых раздаточных столах. Для увеличения магнитного потока используется магнитный проводник замкнутого вида из трансформаторной стали.

Свое название канальные печи получили за наличие в пространстве агрегата двух отверстий с каналом, образующим замкнутый контур. По конструкционным особенностям прибор не может работать без контура, благодаря которому жидкий алюминий находится в непрерывном движении. При несоблюдении рекомендаций завода изготовителя оборудование самопроизвольно отключается, прерывая процесс плавки.

Жидкая бронза заливается через сифон, расположенный на торцевой стенке, присадки и шлаки загружаются и удаляются через специальные отверстия. Выдача готовой продукции осуществляется через V -образный сливной канал, сделанный в футеровке по шаблону, который расплавляется в рабочем процессе. Охлаждение обмотки и сердечника осуществляется воздушной массой, температура корпуса регулируется при помощи воды.

Некоторые особенности систем индукционного отопления дома

Устройство индукционного электронагревателя

Коэффициент полезного действия индукционного оборудования, впрочем, как и любого отопительного электрооборудования, в немалой степени зависит от того, сколько тепла расходуется на нагрев теплоносителя, а сколько рассеивается вокруг прибора. Очевидно, что чем меньше рассеивание, тем выше КПД. Поэтому цена тепла, получаемого с помощью индукционного отопления, напрямую зависит от качества оборудования.

Скорость нагрева теплоносителя, а значит и скорость распространения тепла по дому, зависит от мощности нагревательного элемента. Чем мощнее катушка, генерирующая электромагнитное поле, тем скорее нагревается стальной сердечник, и затем и теплоноситель. Этот принцип также справедлив не только для индукционного водонагревательного отопления, но и для всех электронагревательных приборов. Потери тепла, например, на нагрев самой катушки, не критичны, так как все равно все тепло остается внутри помещения, в котором установлено оборудование, а не выветриваются через дымоход как при отоплении печами. Однако, как уже говорилось выше, нужно обеспечить постоянное наличие теплоносителя в системе. В противном случае возможен значительный перегрев, вплоть до расплавления, самого нагревательного оборудования. Особенно актуальна эта проблема при монтаже самодельного индукционного отопления.

Несомненным плюсом такой системы является ее долговечность. Собственно износу подвержен сердечник, который разрушается тем быстрее, чем более агрессивная среда на него воздействует, и чем чаще возникают перепады температур. Медная обмотка имеет достаточно большой запас прочности, а движущихся частей, которые могли бы быть подвержены механическому износу, в системе нет. Собственно срок гарантии определяется сроком работы транзисторов, которые обеспечивают управление током в цепи. Обычно гарантийный срок составляет 10 лет, но практически индукционное оборудование может работать без проблем в 2-3 раза дольше.

Основной материал

Одна из главнейших проблем при самостоятельном изготовлении индукционной плитки заключается в выборе подходящего материала. Вещество, использующееся в виде основы будущей плитки, должен удовлетворять некоторым критериям.

Индукционная плитка создается с использованием материалов, подходящих по следующим требованиям:

• Предельные показатели проводимости электромагнитного излучения.
• Полное отсутствие токопроводящих качеств.
• Высокая устойчивость к большим температурам.

Как правило, варочные плиты, изготовленные популярными брендами-производителями, обладают поверхностью из дорогостоящей керамики. Самостоятельно найти подобный материал достаточно трудно, поэтому возникает вопрос о том, из чего можно изготовить индукционную плиту.

Перед началом работ по изготовлению варочной поверхности следует не только ознакомиться со всеми правилами техники безопасности, но и попробовать свои силы на практике.

Отличным вариантом станет изготовление достаточно простого, но в то же время технологичного агрегата – индукционной печи для плавки металла своими руками.

Достоинства плавления

Индукционный нагрев является прямым, бесконтактным и его принцип позволяет использовать выработанное тепло с максимальной эффективностью. Коэффициент полезного действия (КПД) при использовании этого способа стремится к 90%. Во время процесса плавления происходит тепловое и электродинамическое движение жидкого металла, что способствует равномерной температуры по всему объёму однородного материала.

Технологический потенциал таких устройств создаёт преимущества:

• быстродействие – сразу после включения можно использовать;
• высокая скорость процесса плавления;
• возможность регулировки температуры расплава;
• зонная и фокусированная направленность энергии;
• однородность расплавленного металла;
• отсутствие угара от легирующих элементов;
• экологическая чистота и безопасность.

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.

Особенности эксплуатации

Самодельная сборка нагревателя – это лишь половина дела

Не менее важное значение имеет правильная эксплуатация получившейся конструкции. Изначально, каждый такой прибор представляет определенную опасность, поскольку он не способен самостоятельно контролировать уровень нагрева теплоносителя. В связи с этим, каждому нагревателю требуется определенная доработка, то есть установка и подключение дополнительных контрольных и автоматических устройств

В связи с этим, каждому нагревателю требуется определенная доработка, то есть установка и подключение дополнительных контрольных и автоматических устройств.

В первую очередь выход трубы оборудуется стандартным набором устройств, обеспечивающих безопасность – предохранительным клапаном, манометром и приспособлением для отвода воздуха. Следует помнить, что индукционные водонагреватели будут нормально работать лишь при наличии принудительной циркуляции воды. Самотечная схема очень быстро приведет к перегреву элемента и разрушению пластиковой трубы.

Во избежание подобных ситуаций, в нагревателе устанавливается термостат, подсоединенный к устройству аварийного отключения. Опытные электротехники используют для этих целей терморегуляторы с температурными датчиками и реле, отключающие цепь при достижении теплоносителем заданной температуры.

Самодельные конструкции отличаются довольно низкой эффективностью, поскольку вместо свободного прохода, на пути воды имеется препятствие в виде частиц проволоки. Они почти полностью перекрывают трубу, вызывая повышенное гидравлическое сопротивление. При нештатных ситуациях возможны повреждения и разрыв пластика, после чего горячая вода непременно приведет к короткому замыканию. Обычно такие нагреватели используются в небольших помещениях, в качестве дополнительной системы отопления в холодное время года.

Использование индукционных катушек вместо традиционных ТЭН в отопительном оборудовании позволило значительно увеличить КПД агрегатов при меньшем потреблении электроэнергии. Индукционные нагреватели появились в продаже относительно недавно, к тому же по достаточно высоким ценам. Поэтому народные умельцы не оставили эту тему без внимания и придумали, как сделать индукционный нагреватель из сварочного инвертора.

Разновидности индукционных котлов

Существуют следующие разновидности нагревательных котлов индукционного типа, обозначаемые как по принципу действия, так и по марке производителя:

• SAV – разновидность и одновременно торговая марка котлов нового поколения мощностью от 2,5 до 100 кВт, с 2007 г. выпускаемых российской компанией ЗАО НПК «ИНЭРА»;
• ВИН — аббревиатура является не только сокращением названия вида индукционных устройств (вихревые индукционные нагреватели), но и запатентованным названием котлов, производимых ижевской компанией «Альтернативная энергия».

Индукционные обогреватели SAV

Эксплуатация агрегатов SAV не требуют использования инвертора, на индуктор подаётся ток частотой 50 Гц. Индуцированное первичной обмоткой электромагнитное поле вызывает образование вихревых потоков во вторичной обмотке, роль которой в котлах данного типа выполняет участок замкнутого контура труб с теплоносителем. Данный участок трубы – вторичная обмотка интенсивно нагревается под воздействием токов Фуко и передаёт тепло теплоносителю, принудительно циркулирующему в системе отопления с помощью циркуляционного насоса.

Устройство отопительной системы выполняется с использованием радиаторов или лабиринтовым способом, напоминающим плинтусовый обогрев, чтобы увеличить общую площадь наружной поверхности (теплоотдачи) труб — контур отопления, как минимум, не должен быть минимальным по протяжённости.

Котлы SAV производятся под напряжение в 220V и 380V. В качестве теплоносителя в них используется вода (в чистом виде или с противозамерзающими присадками), а также антифриз. Выход агрегата на полную мощность работы занимает порядка 5-20 минут (в зависимости от объёма теплоносителя), КПД нагревателей таких устройств составляет минимум 98%. Для эффективного обогрева помещения площадью до 30 м кв. достаточно индукционного устройства мощностью в 2,5 кВт, покупка которого в комплекте с системами автоматики и управления обойдётся приблизительно в 30 тыс. руб.

ВИН-агрегаты отопления

Котлы данного типа более совершенны по принципу действия и конструкции, что, естественно, отражается на их стоимости. Для работы ВИН-устройств необходим инвертор – устройство повышения частоты входящего тока. Ток высокой частоты вызывает образование электромагнитного поля высокой напряжённости, которое, в свою очередь, обуславливает возникновение более мощных вихревых токов во вторичной обмотке. Кроме того, теплообменник и корпус котла изготавливаются из ферромагнитных сплавов, имеющих собственное магнитное поле. Результатом всех этих процессов является большая интенсивность нагрева теплообменника и, естественно, теплоносителя.

ВИН-агрегата мощностью в 3 КВт достаточно для отопления помещения площадью 35-40 м кв. (в зависимости от климатических условий и качества теплоизоляции наружных строительных конструкций).

ВИН-агрегаты вследствие большей производительности могут использоваться не только в системах отопления жилья, но и для горячего водоснабжения. Для этого в контур теплоносителя врезают дополнительные накопительные резервуары, оборудованные защитной автоматикой, ёмкость которых рассчитывается в зависимости от количества точек горячего водозабора. Горячей водой эти ёмкости обеспечиваются путём её циркуляции в системе с прямоточным нагревом индукционным обогревателем.

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

Особенности и предостережения

Поскольку индукционные нагреватели со сварочным инвертором, сделанные своими руками, не могут самостоятельно управлять температурой воды, то в первозданном виде они являются источником повышенной опасности. Поэтому устройство требует доработки, а именно — добавлением устройств контроля и автоматики. Для начала на выходе из трубы надо установить стандартную группу безопасности, включающую в себя манометр, воздухоотводчик и предохранительный клапан.

Чтобы избежать перегрева, следует снабдить нагреватель устройством аварийного отключения, управляемым от термостата. Если у вас имеются хорошие навыки в области сборки электрических схем, для управления нагревом вы можете задействовать терморегулятор с датчиком температуры воды и реле, размыкающим цепь при достижении установленной температуры теплоносителя.

Минус данной конструкции заключается в ее малой эффективности, да и надежность аппарата под вопросом. Дело в том, что в заводских котлах вода проходит через теплообменник свободно, а у нас на ее пути возникает препятствие в виде кусков катанки. Они перекрывают все сечение трубы и создают высокое гидравлическое сопротивление. Да и в случае нештатной ситуации авария чревата разрывом пластика и возможным коротким замыканием из-за потока горячей воды.

Надо сказать, что переделка сварочного инвертора в индукционный нагреватель нецелесообразна еще и потому, что тепловая мощность устройства будет ограничена максимальной электрической мощностью инвертора. Обычно имеющегося в доме аппарата хватит на обогрев комнаты площадью 25—30 м2 в лучшем случае, да и чем вы станете выполнять сварочные работы все это время? По сути, такой нагреватель использовать можно, но только в исключительных случаях как способ временного отопления.

Основные технологические этапы работ

Обустраивая систему индукционного водонагрева необходимо знать и придерживаться основных правил:

1. Сварочный ток высокочастотного инвертора для обогревателя должен соответствовать его мощности. Оптимальная величина его варьируется от 15 ампер или выше, если это необходимо.
2. Для нагревательных материалов в высокочастотном поле нужно использовать пятисантиметровые отрезки стальной катанной или нержавеющей проволоки. Для этого подготовленную проволоку необходимо порезать кусачками, придерживаясь этих размеров.
3. Корпус индукционного нагревателя должен быть сделан из толстостенной пластиковой трубы, внутренний диаметр которой должен быть не менее 5 сантиметров аналогично длине порезанной проволоки.
4. К одной стороне этой пластиковой трубы крепится переходник, который должен соединить данную конструкцию с системой отопления.
5. На дно пластиковой трубы своими руками укладывается металлическая сетка, которая предотвращает проваливание катанки.
6. Внутрь трубы из пластика плотно засыпаются нарезанные куски металлической проволоки так, чтобы там отсутствовало свободное пространство.
7. Второй конец трубы оснащается еще одним переходным элементом.
8. Для изготовления индукционной катушки эту пластиковую трубу обматывают заготовленным медным эмалированным проводом. Количество витков в обмотке должно быть минимальным 80, а максимальным 90.
9. Затем аппарат подсоединяется к индивидуальной отопительной системе, заливается вода, к изготовленной обмотке подключается инвертор.
10. Для принудительной циркуляции теплоносителя в отопительную систему встраивается насос.
11. Чтобы обеспечить регулирование температуры воды в автоматическом режиме, в разрыве основной линии питания индукционного инвертора подключается терморегулятор.

https://youtube.com/watch?v=khpDLWb0Cyw

Принцип работы индукционной печи

Нагревание металла, помещённого внутрь устройства, происходит путём перехода электромагнитных импульсов в энергию тепла. Электромагнитные импульсы вырабатываются катушкой с витками из медной проволоки или трубы.

Схема индукционной печи и схемы проведения нагрева

При подключении устройства через катушку начинает проходить электрический ток, а вокруг появляется электрическое поле со временем меняющее своё направление. Впервые работоспособность такой установки была описана Джеймсом Максвеллом.

Объект, который нужно нагреть, необходимо поместить внутрь катушки или недалеко от неё. Целевой предмет будет пронизываться потоком магнитной индукции, а внутри появится магнитное поле вихревого типа. Таким образом, индукционная энергия перейдёт в тепловую.

Сфера применения: отопление помещений

В быту схема индукционного нагревателя была реализована для котлов отопления и плит. Первые получили особенно большую популярность и признание у пользователей за счёт отсутствия нагревательных элементов, которые снижают работоспособность в котлах с другим принципом действия, и разъёмных соединений, что даёт экономию на обслуживании систем индукционного отопления.

На практике используются несколько вариантов, где используется разного типа индукторы:

• нагреватели с электронным управлением для создания токов нужного вида в катушке;
• вихревые индукционные нагреватели.

Электрическая схема индукционного нагревателя

Заключение

Для изготовления индукционной печи своими руками лучше выбрать вариант тигельной печи, которая имеет более простую конструкцию, но требует для питания напряжение высокой частоты.
Из предложенных схем генератора высокой частоты наиболее приемлемой является схема на МОП-транзисторах, обеспечивающая мощность в 1 кВт и позволяющая регулировать частоту генерации.
При работе с индукционной печью, изготовленной своими руками, необходимо обращать внимание на защиту от паразитного высокочастотного излучения и ожогов индуктором.
Использование индукционных печей в водогрейных котлах для обогрева дома экономически невыгодно.