Самодельный индукционный нагреватель в системе водяного отопления, схема инвертора напряжения

Идея создания системы электрического отопления жилого помещения у меня возникла вместе с закладкой фундамента для небольшого индивидуального дома.

Используя систему водяного отопления с газовым котлом, мы получаем экономическую выгоду по сравнению с электрическим отоплением, и это всем понятно. Но что делать, если вблизи пока нет газовой магистрали, а пользоваться газовыми баллонами небезопасно?

Вот и появилась идея сконструировать под каждым окном в доме индивидуальный водяной котел (или батарею отопления, как угодно!), вода в котором нагревается электричеством, но без применения ТЭНов и электролизных нагревателей.

Было принято решение в качестве нагревательного элемента для воды использовать вихревой индукционный нагреватель (ВИН). Принцип работы и описание различных вариантов индукционных нагревателей подробно описан в сети Интернет и других источниках информации.

Принцип действия и устройство

В вихревом ультразвуковом нагревателе используется принцип электромагнитной индукции. При прохождении электрического переменного тока высокой частоты в индукционной катушке возникает магнитное поле.

В качестве сердечника катушки используется металлический сердечник из ферромагнитного материала (в простейшем случае - стальная труба), внутри которой находится нагреваемая жидкость (вода). Вихревыми токами Фуко нагревается металлическая труба, по которой протекает вода.

В данном случае, в качестве “оконечного устройства”использована замкнутая система, состоящая из двух или трех отрезков толстостенных стальных труб, в которых циркулирует вода.

Нагревательным элементом (если можно его так назвать!) служит катушка медного провода в изоляции, которая содержит около 60 витков на стальной трубе, диаметром около 50 миллиметров.

На трубу сначала наматывается теплостойкая изоляция (в данном случае, лента ФУМ или стеклоткань), а затем - однослойная катушка.

Меня больше всего интересовал сам источник электроэнергии, от которого будет питаться вихревой нагреватель, т.к. различных конструктивных вариантов “вихревых нагревателей” в Интернете описано большое количество!

Правда, заниматься экспериментами с изготовлением тороидальных и других видов нагревателей не было времени, и за основу было взято описание небольшой автономной самодельной батареи отопления, где в качестве нагревателя использован ТЭН. Вместо ТЭНа был вмонтирован индукционный нагреватель, и вопрос был решен!

Оставалось самое главное: “Чем нагреть воду в трубе?”. “Порывшись в Интернете”, было выбрано несколько принципиальных схем преобразователей напряжения инверторного типа.

Сначала выбор остановили на инверторе Кухтецкого [1], но отсутствие в наличии высоковольтных “мосфетов” в нашем творческом объединении и в моих “личных запасах” приостановило изготовление данного аппарата.

Идея изготовить инвертор Кухтецкого, обладающий очень неплохими техническими характеристиками при его относительно не сложной схеме, будет обязательно осуществлена на занятиях нашего творческого объединения! (Думаем, изготовив его, подарить автомодельной лаборатории, которая очень нуждается в аппарате для плавки металла при изготовлении самодельных деталей для автомоделей!).

Принципиальная схема преобразователя напряжения

В качестве преобразователя был изготовлен инвертор, который работает на низковольтных полевых транзисторах от мощного источника постоянного тока 12 В. Во время работ по регулировке аппарата применялся кислотный аккумулятор от легкового автомобиля.

Первые включения прибора производились от напряжения 6 В (использовались не все“банки” аккумулятора). Задающий генератор на микросхеме TL494 был подключен к маломощному регулируемому источнику питания от 0 до 15 В. Затем для его питания использовали компьютерный блок питания.

На первом этапе необходимо было обеспечить устойчивую генерацию выходного сигнала генератора. Вопрос о том, что при пониженном питании инвертора не обеспечивается оптимальное согласование выходного трансформатора и т.д., рассчитанного на питание от 12 В, не стоял!

О форме выходных импульсов во время предварительных испытаний инвертора мы просто не думали! Важно было получить одинаковую форму и амплитуду на выходах TL494 и транзисторах драйверов.

Большого опыта работы с силовой электроникой ни у меня, ни у моих воспитанников не было, поэтому мы “осторожничали, чтобы не наделать проблем” с выходными транзисторами и трансформаторами. За основу преобразователя была выбрана принципиальная схема инвертора [2], см. рис. 1. В качестве транзисторов драйверов применялись отечественные кремниевые транзисторы КТ816 и другие, аналогичные по параметрам.

Принципиальная схема инвертора

Рис. 1. Принципиальная схема инвертора.

Усиленные прямоугольные импульсы формы “меандр” через ограничивающие резисторы поступают на затворы мощных (MOSFET) полевых транзисторов IRF.

Мощный двухтактный выходной каскад на полевых транзисторах усиливает прямоугольные импульсы до необходимого уровня. Нагрузкой выходного каскада является импульсный выходной трансформатор на ферритовом сердечнике.

В каждом плече выходного каскада в нашем случае использовалось не более двух транзисторов. Когда добавляли транзисторы, напряжение (входное) на затворах мосфетов уменьшалось, соответственно выходная мощность оставалась на уровне примерно 200...300 Вт.

Возможностей подбирать идентичные пары транзисторов драйверов, как и выходных полевых транзисторов, в наших условиях (ввиду отсутствия финансовой поддержки и т.д.) не представляется возможным, поэтому мы остановились на “достигнутых результатах!”.

Выходной трансформатор был использован самодельный. Сердечники - от компьютерных блоков питания. Трансформаторы из БП предварительно были хорошо “прокипячены в воде” (чтобы аккуратно разобрать трансформаторы!). Каркасы использованы от тех же трансформаторов.

Для экспериментов изготовили несколько трансформаторов с различным числом витков первичной и вторичной обмоток. Первичная обмотка состояла из двух половинок по 5...10 витков ленты, изготовленной из одножильного медного провода диаметром каждой жилы около 0,5 мм, а вторичная - “до полного заполнения” каркаса одножильным проводом.

В результате получился трансформатор, на выходе которого присутствовало напряжение около 170... 190 В! Под нагрузкой напряжение понижалось до 150.. .160 В.

Этого напряжения и мощности оказалось достаточно, чтобы вихревой индукционный нагреватель выполнял свою основную функцию - нагревал воду в трубе до 80...90 градусов. Ввиду небольшой протяженности нагревателя (системы труб), дополнительный насос для перемещения воды в трубе не понадобился.

После изготовления и настройки инвертора был изготовлен мощный блок питания от сети переменного тока, представляющий обычный, мостовой двухполупериодный выпрямитель с выходным напряжением около 12 В постоянного тока. Определенной проблемой для нас было приобретение мощного, понижающего трансформатора.

Ведутся работы по усовершенствованию инвертора. Рабочий образец инвертора вихревого индукционного нагревателя (см. рис. 2-3) экспонировался на региональной выставке “Дети. Техника. Творчество” в городе Белгород и занял второе место среди экспонатов в своем разделе.

Творческое объединение “Основы современной любительской радиосвязи и радиоконструирования” ЦТТ и ПО Старый Оскол.

Ю. Белобородов, г. Старый Оскол. РМ-11-17.

1 114 Бытовая электроника
инвертор напряжения отопление прео преобразователь напряжения
Написать комментарий:

cashback