Лабораторный инвертор для индукционного нагрева часть 3: Страница не найдена | ИХХТ СО РАН

Простой лабораторный инвертор для индукционного нагрева

href=»http://mozgochiny.ru/wp-content/uploads/2014/08/Indukt.lay_.rar»>Indukt.lay.rarIndukt.lay.rar

 

  Индукционная печь lit/ml/slup169/slup169.pdf На сервере Depositfiles имеется русский перевод: Разработка и применение высокоскоростных схем управления силовыми полевыми транзисторами. http://depositfiles.com/ru/files/p3pmr4qm8 3. Tong Qiang, Zhang Donglai, Wang Yi, Xu Dianguo. An Improved Isolated MOSFET Gate Driver Scheme for Wide Duty Cycle Applications. http://ir.lib.ntust.edu.tw:8080/dspace/bitstream/987654321/14414/1/412.pdf @ Кухтецкий С.В., 2010 Простой лабораторный инвертор для индукционного нагрева. Часть 2 С.В.Кухтецкий Институт химии и химической технологии, СО РАН, г. Красноярск [email protected] Введение ………………………………………………………………………………………………………………………………. 1 Предупреждение об опасности …………………………………………………………………………………………………… 2 Блок-схема мостового инвертора ……………………………………………………………………………………………….

. 2 Мост ключей ………………………………………………………………………………………………………………………….. 3 Схема модуля ключа …………………………………………………………………………………………………………….. 3 Конструкция моста ……………………………………………………………………………………………………………….. 4 Модуль управления …………………………………………………………………………………………………………………. 4 Схема одного канала драйвера ……………………………………………………………………………………………….. 5 Некоторые характеристики драйвера ……………………………………………………………………………………….. 6 Полная схема модуля управления ……………………………………………………………………………………………. 7 Первые испытания ………………………………………………………………………………………………………………….. 8 Нагрузка ………………………………………………………………………………………………………………………………. 9 Схема………………………………………………………………………………………………………………………………… 9 Конденсаторная батарея ……………………………………………………………………………………………………… 10 Индуктор ………………………………………………………………………………………………………………………….. 11 Согласующий трансформатор ……………………………………………………………………………………………….. 11 Испытание резонансной нагрузки ………………………………………………………………………………………….. 11 Особенности работы с инвертором при частотном регулировании ………………………………………………. 13 Блок питания моста……………………………………………………………………………………………………………….. 14 Финальные испытания инвертора …………………………………………………………………………………………….. 16 Выводы и обсуждение ……………………………………………………………………………………………………………. 19 Литература ………………………………………………………………………………………………………………………….. 20 Благодарности ……………………………………………………………………………………………………………………… 20 Приложение 1 ………………………………………………………………………………………………………………………. 21 В статье продолжено рассмотрение простых «бюджетных» конструкций инверторов напряжения, предназначенных для самостоятельного изготовления и использования в практике физико-химической лаборатории. Инвертор представляет собой полный мост ключей на мощных МОП-транзисторах с «ручной» частотной регулировкой мощности. Диапазон рабочих частот 60-300 кГц. Предусмотрено два режима работы: непрерывный (десятки часов и более) на уровне 1-2 кВт и кратковременной (10-20 мин) – до 4 кВт. Питание от сети 220 В. Приведены подробное описание каждого узла, схемы, фотографии и результаты тестовых испытаний. Описанный инвертор предназначен для питания высокотемпературной трубчатой печи, но может быть полезен и для решения других задач, связанных с бесконтактным нагревом до высоких температур – плавка металла, получение небольших образцов сплавов в «электромагнитном тигле» (левитационная плавка) и т.п. Введение В данной статье мы продолжим разработку «бюджетного» варианта лабораторного инвертора для индукционного нагрева, начатую в работе [1]. Предыдущая конструкция, описанная в [1], представляла собой полумост на мощных МОП-транзисторах в качестве ключей. Рабочие частоты полумоста 60-300 кГц. Потребляемая мощность — до 1 кВт в непрерывном режиме и до 2 кВт — в кратковременном (15-20 мин). Описываемый в данной статье инвертор является развитием аппарата, описанного в работе [1] по следующим направлениям: 1. Изменен принцип регулирования мощности инвертора, работающего на резонансную нагрузку. Прежний инвертор работал на фиксированной частоте (обычно чуть выше резонансной), а регулирование мощности производилось путем изменения напряжения питания инвертора. В данной же конструкции применен принцип частотного регулирования мощности. Это позволило избавиться от громоздкого регулятора напряжения (ЛАТРа). 2. Модифицирован силовой модуль. В данной конструкции применен полный мост ключей на мощных полевых МОП-транзисторах. Использование мостовой схемы позволяет удвоить напряжение на первичной обмотке согласующего трансформатора и поднять уровень мощности (в данном случае — до 2 кВт в непрерывном режиме и до 4 кВт в кратковременном). @ Кухтецкий С.В., 2010 3. В связи с переходом на мостовую схему, была также изменена и схема драйверов затворов ключей. В данной конструкции затвор каждого транзистора подключен к своему отдельному однотактному драйверу, снабженному трансформаторной развязкой с пассивными элементами, корректирующими форму импульсов и нулевой уровень сигнала во всем частотном диапазоне инвертора. Как и в предыдущей статье, схемы и конструктивные особенности узлов инвертора рассмотрены максимально подробно, для того чтобы облегчить самостоятельное изготовление инвертора в непрофильной лаборатории. Приведены детальные фотографии, поясняющие конструктивные особенности узлов инвертора. Предупреждение об опасности Цепи выпрямителя и силового модуля находятся под высоким напряжением без гальванической развязки от питающей сети. Поэтому при работе с инвертором нужно соблюдать предельную осторожность. ВСЕ МАНИПУЛЯЦИИ с этими модулями можно проводить ТОЛЬКО ПОСЛЕ ВЫКЛЮЧЕНИЯ ПИТАНИЯ И ПОЛНОГО ОТКЛЮЧЕНИЯ ПРИБОРА ОТ СЕТИ! Блок-схема мостового инвертора Блок-схема рассматриваемого здесь мостового инвертора изображена на рис.1 . Рис.1. Блок-схема инвертора Инвертор состоит из пяти функциональных блоков. Первый блок – генератор управляющих импульсов. Он выдает две последовательности импульсов, диаграммы которых представлены на рис.1, снизу слева. Второй блок – блок драйверов, предназначен для усиления управляющих сигналов и их гальванической развязки. На выходе этого блока – четыре сигнала, которые непосредственно управляют работой ключей следующего блока – моста ключей. К одной диагонали этого моста подключен четвертый блок – блок питания моста, представляющий из себя бестрансформаторный нерегулируемый источник постоянного напряжения 310В. В другую диагональ включена нагрузка. Нагрузка представляет собой последовательный колебательный контур, образованный индуктором и компенсирующей емкостью. Этот контур подключен к мосту через согласующий трансформатор. Напомним кратко принцип работы мостового инвертора. При помощи управляющих импульсов пары ключей моста 1-2 и 3-4 попеременно открываются и закрываются. На первом такте, например, когда открыта пара @ Кухтецкий С.В., 2010 ключей 1-2, а пара 3-4 закрыта, нагрузка подключена выводом 1 к плюсу источника питания инвертора, а другим выводом (2) — к минусу. По истечении некоторого времени, равного длительности управляющих импульсов, ключи 1-2 закрываются. В следующий период времени, который называется «мертвым временем» или «dead time», все ключи моста закрыты, и нагрузка фактически отключена от источника питания. Когда закончится dead time, начинается второй такт. Открываются ключи 3-4, а 1-2 остаются закрытыми. В этом такте нагрузка подключена выводом 1 к минусу источника, а выводом 2 – к плюсу. Далее опять все ключи закрываются, и после очередного «dead time» цикл повторяется. В результате на нагрузке получается переменное напряжение с частотой, равной частоте следования управляющих импульсов, и амплитудой, близкой к напряжению источника питания моста. Перейдем теперь к более подробному рассмотрению перечисленных выше функциональных блоков. Начнем с моста. Мост ключей Схема модуля ключа Каждый ключ моста представляет собой отдельный модуль, содержащий мощный полевой МОП-транзистор и небольшой «стандартный» набор пассивных элементов, обеспечивающих безопасную работу ключа в мосте. Схема модуля ключа совпадает с аналогичным модулем в работе [1] и представлена на рис.2. Рис.2. Схема модуля ключа В ключах можно использовать любые полевые МОП-транзисторы достаточной мощности, имеющие рабочее напряжение не менее 500 В. Рабочие токи и частоты определяются конкретными задачами. Для многих приложений, требующих мощность порядка 1-2 кВт в непрерывном режиме, вполне надежно работают широко распространенные транзисторы IRFP460. Запас по мощности при разумной цене никогда не помешает. Поэтому в некоторых конструкциях использовались и более мощные транзисторы – IRFPS37N50A. Возвратный диод VD1 предназначен для устранения выбросов напряжения во время «dead time». Он должен быть быстрым и рассчитанным на напряжение не менее 600-800 В. Здесь были использованы сравнительно недорогие 5-амперные диоды HER508. Можно поставить и более быстрые, мощные и дорогие, но в данной конструкции разница будет незаметна. Включенный между истоком и стоком RC-снаббер предназначен для подавления высокочастотных колебаний, обусловленных паразитными индуктивностями цепей и реактивным характером нагрузки. Резистор R2 неплохо греется, поэтому его желательно выбрать помощнее и расположить в зоне обдува вентиляторов охлаждения. Конденсатор C1 должен быть рассчитан на напряжение не менее 600-800 В. Резистор R1 предназначен для ограничения зарядного тока затвора и подавления высокочастотных колебаний в его цепях. @ Кухтецкий С.В., 2010 Конструкция моста Полная схема моста и его конструкция показаны на рис.3. Рис.3. Полная схема моста и собранная конструкция мота Как и в предыдущем инверторе [1], в качестве основы для конструкции силового модуля использован кулер от компьютерного процессора. В данном случае — дюралюминиевый. Желательно брать кулер с толстой плоской подошвой и мощным вентилятором (0.3 – 0.4 А). Для электрической изоляции транзисторов от подошвы радиатора использована слюда. Для улучшения теплового контакта применена термопаста – КПТ-8. Клеммники для подключения питания и нагрузки расположены в верхней части радиатора. Там же есть отверстие для термометра, при помощи которого удобно визуально контролировать температуру радиатора. Клеммники для подключения драйверов расположены непосредственно на платах модулей. Монтаж выполнен проводом МГТФ с сечением 1 кв.мм. Резисторы снабберов и конденсаторы C5 и С6 вынесены за пределы плат в зону обдува. Как показали испытания, такая конструкция позволяет работать на уровне 1-2 кВт непрерывно в течение 8-10 часов без какого-либо заметного нагрева компонентов моста. Температура радиатора в таком режиме лишь на несколько градусов превышает температуру окружающей среды. Модуль управления Для управления ключами моста необходим модуль управления. Модуль управления содержит: генератор управляющих импульсов, усилители этих импульсов и гальванические развязки для согласования уровней управляющих сигналов с уровнями ключей моста. Самым простым решением для модуля управления (в данном случае) была бы модификация драйвера, который использовался в предыдущей конструкции (см. рис.8 в [1]). Фактически модифицировать нужно только трансформатор Tr1, домотав к нему еще две вторичные обмотки. Это решение вполне работоспособное, но, к сожалению, пара драйверов MAX4420, неплохо работающих на полумост [1], при работе на затворы четырех транзисторов начинает заметно греться. В принципе поправить ситуацию можно разными способами. Например, можно приспособить какие-нибудь радиаторы к корпусам этих драйверов или использовать более мощные драйверы. Можно изменить схемотехнику. Например — увеличить количество драйверов MAX4420, чтобы (как и в работе [1]) на каждый ключ «работал» один драйвер MAX4420. Поскольку у меня была целая горсть этих драйверов, был выбран именно такой вариант. Поскольку сам мост имеет явно выраженную модульную структуру, то был определенный смысл сделать модульными и драйверы. Т.е. каждый ключ имеет свой усилитель (драйвер) и развязку, независимую от остальных ключей. В будущем это даст возможность поэкспериментировать с различными алгоритмами управления мостом, оперируя только логикой управляющих импульсов каждого ключа независимо. @ Кухтецкий С.В., 2010 Схема одного канала драйвера Итак, было выбрано следующее схемотехническое решение. Каждый из четырех сигналов управления ключами усиливается своим усилителем на MAX4420 и затем гальванически развязывается с помощью импульсного трансформатора с набором пассивных элементов, необходимых для корректной передачи однополярного импульсного сигнала на емкостную нагрузку (затвор МОП-транзистора). Схема одного такого канала представлена на рис.4. Рис.4. Один канал драйвера с гальванической развязкой Существует определенное предубеждение по отношению к однополярным трансформаторным гальваническим развязкам. На одном из российских форумов даже разгорелся жаркий спор на эту тему. Поэтому остановимся на этой схеме подробнее. Проблема заключается в том, что трансформатор должен правильно передавать однополярный сигнал. Но для того, чтобы избежать насыщения сердечника, необходимо убрать возникающую при этом постоянную составляющую. Это легко сделать при помощи конденсатора C3 перед первичной обмоткой трансформатора. На выходе Tr1 мы получаем уже двухполярный сигнал, в идеале совпадающий с исходным, но смещенный в отрицательную область как раз на величину этой убранной постоянной составляющей. Такой сигнал нас вполне бы устроил, т.к. на затвор полевых транзисторов можно подавать отрицательный запирающий сигнал. Но здесь возникает вторая проблема, а именно: амплитуда импульсов на выходе развязки будет зависеть от коэффициента заполнения сигнала. Дело в том, что в верхней части нашего рабочего частотного диапазона (300 кГц) длительность «dead time» становится сопоставимой с периодом следования импульсов. Поэтому коэффициент заполнения (отношение длительности импульса к периоду) в нашем рабочем диапазоне (60-300 кГц) будет изменяться уже в довольно широких пределах (приблизительно от 20% до 50% для «dead time» 1.2 мкс). При различных коэффициентах заполнения амплитуда импульса на вторичной обмотке трансформатора будет тоже разная. Это происходит потому, что в стационарном случае вольт-секундная площадь катушки (за период) должна быть равна нулю (см. рис.5). Рис.5. Влияние коэффициента заполнения на амплитуду импульса В результате в одной стороне рабочего диапазона сигнал окажется слишком малым для надежного открывания транзистора ключа, а в другом, наоборот, может превысить допустимый для транзистора предел (обычно 20 В). Поэтому проще восстановить постоянную составляющую нашего сигнала после гальванической развязки. Для этого можно использовать очень простые решения в виде так называемых «восстанавливающих» цепочек: конденсатора C4 и диода VD1 (рис.4). Резистор R1 необходим для разряда затворов транзисторов при выключении генератора импульсов, иначе на затворе транзистора может остаться заряд, и транзистор останется открытым. @ Кухтецкий С.В., 2010 Некоторые характеристики драйвера Более подробно теоретическую часть рассматриваемого решения (и много другой полезной информации на эту тему) можно посмотреть в статье [2]. Здесь же я просто приведу некоторые результаты своих экспериментов по работе этого драйвера при различных коэффициентах заполнения (рис.6). a b c d Рис.6. Осциллограммы напряжения на затворе при различных коэффициентах заполнения и график зависимости минимального напряжения на затворе от коэффициента заполнения Сигнал от генератора прямоугольных импульсов с регулируемой скважностью от 0 до 100% подавался на вход драйвера. Выход драйвера через резистор 5.1 Ом подключался к затвору и истоку транзистора IRFP460. Осциллограммы напряжения снимались непосредственно с затвора транзистора. На рис.6 a, b и c представлены осциллограммы напряжения на затворе транзистора при коэффициентах заполнения 10%, 50% и 90%, соответственно, и частоте 200 кГц. Видно, что гальваническая развязка хорошо передает форму импульса и восстанавливает постоянную составляющую. На рис.6 d приведен график зависимости минимальной амплитуда импульса (перед самым срезом) для трех рабочих частот (100, 200 и 300 кГц) и коэффициента заполнения в диапазоне от 0 до 100%. Необходимый нам рабочий диапазон по коэффициенту заполнения выделен красным. Видно, что такие драйверы неплохо справляются со своей задачей. Более того, из этого же графика видно, что для частот 200 — 300 кГц драйвер сохраняет работоспособность вплоть до коэффициентов заполнения 90-96%. Поэтому такие драйверы можно использовать даже в ШИМ-регуляторах. Несколько замечаний по комплектующим и компоновке. Конденсаторы C1 и C2 на рис.4 необходимо размещать как можно ближе к корпусу MAX4420. Расчет емкостей C3 и C4 есть в работах [2, 3], но указанные на рис.4 номиналы вполне подходят для рассматриваемого здесь диапазона частот. В качестве диода VD1 лучше выбрать диод Шоттки. С ними нулевой уровень сигнала максимально близок к нулю. Параметры трансформатора на указанный диапазон частот приведен на схеме. Есть небольшое падение амплитуды к концу импульса на низких частотах, но оно некритично для работы ключа. Намотка бифилярная. В качестве провода для обмоток очень удобно брать витые пары из кабелей компьютерных сетей. Они уже хорошо свиты, достаточно толстые и жесткие. @ Кухтецкий С.В., 2010 Полная схема модуля управления Мы рассмотрели один канал драйвера. Полная схема модуля управления представлена на рис.7. Рис.7. Схема модуля управления Генератор управляющих импульсов выполнен на микросхеме IR2153 и аналогичен генератору, используемому в работе [1]. Частота следования импульсов регулируется переменным резистором R1. Поскольку в описываемом здесь инверторе применен частотный способ регулирования мощности инвертора, желательна максимально плавная регулировка частоты генератора. Поэтому в качестве переменного резистора R1 применен многооборотный прецизионный резистор 3590S. Грубое изменение диапазона частот осуществляется изменением емкости C1 при помощи перемычек, расположенных на плате. Двухтактные последовательности управляющих импульсов снимаются с выводов 5 и 7 микросхемы IR2153 и подаются на входы усилителей драйверов. Длительность «dead time» фиксирована и равна 1.2 мкс. Остальная часть схемы представляет собой четыре идентичных канала усилителей с гальваническими развязками. Их мы уже рассмотрели в предыдущем разделе. На рис.8 изображена готовая плата модуля управления. @ Кухтецкий С.В., 2010 Рис.8. Плата модуля управления Теперь мы можем приступить к первым испытаниям. Есть два готовых блока, способных работать совместно: мост и модуль управления. Первые испытания Первые испытания выполним при пониженном напряжении питания моста. Для этого подойдет любой регулируемый источник постоянного напряжения с током 1-2 А и напряжением – до 30-50 В. Желательно, чтобы источник имел быструю электронную защиту от перегрузок. Срабатывание защиты может сразу же сказать о каких-нибудь ошибках в монтаже или неисправностях используемых компонентов. При высоких напряжениях такие неисправности обычно заканчиваются взрывом силовых элементов. У меня под рукой оказался старый добрый Б5-8, еще способный выдавать напряжение до 50 В и ток – до 2 А. Вполне подойдет для нашей цели. Питание модуля управления (12 В) осуществляется от обычного компьютерного блока питания. От этого же блока питается вентилятор кулера, на котором размещены ключи моста. В качестве активной нагрузки используется лампа накаливания мощностью 500 Вт. Общий вид стенда в процессе испытания показан на рис.9. Амперметр случайно попал в кадр. Он нам пока не нужен. Рис.9. Общий вид стенда для первых испытаний Рекомендуется следующий порядок первых испытаний. 1. Включаем источник питания 12 В. Питание моста пока не включаем (!). Убеждаемся в правильности работы генератора управляющих импульсов (смотрим сигналы с ножек 5 и 7 микросхемы IR2153 и на клеммнике выхода сигнала синхронизации). Сигналы должны быть аналогичны сигналам, изображенным на рис.1 слева снизу. 2. Проверяем работу усилителей и трансформаторных развязок (смотрим сигналы на выходных клеммниках платы управления). Импульсы должны быть прямоугольными, без сильных выбросов. Вершины должны быть без сильных «завалов» во всем частотном диапазоне. Обратите внимание на нулевой уровень сигнала. Он должен быть действительно в нуле. Здесь полезно подольше и разнообразно покрутить ручку резистора регулировки частоты. Обратите особое внимание, чтобы при вращении резистора не было никаких рывков и «дребезга» сигнала, вызванного вращением резистора! Поскольку никакой быстродействующей защиты в инверторе нет, то такая неисправность @ Кухтецкий С.В., 2010 резистора может унести жизнь силовых ключей за счет сквозных токов, вызванных сбоем модуля управления. 3. Проверяем фазировку управляющих сигналов непосредственно на затворах транзисторов ключей моста. Ключи 1 и 2 должны работать в одной фазе, ключи 3 и 4 – в другой. Во всем частотном диапазоне сигналы должны быть прямоугольными, похожими на сигналы, изображенные на рис.10 (ниже) слева. Паузы «dead time» должны быть четко выражены. Для данного теста лучше применять двухлучевой осциллограф, но если такового нет, то используйте сигнал синхронизации, предусмотренный в данной схеме. Его нужно подать на вход внешней синхронизации осциллографа. Если все нормально, продолжаем испытания. 4. Подключаем осциллограф к нагрузке. Включаем питание моста и начинаем плавно поднимать напряжение источника. В районе 20-30 В лампочка начнет светиться. Сигнал на нагрузке должен быть двухполярным и симметричным относительно нуля. Амплитуда его должна практически совпадать с напряжением питания моста. Во всем частотном должны четко просматриваться «плечики» dead time (см. рис.10 справа). 5. Плавно поднимаем напряжения до 50-100 В (насколько позволяет источник). «Погоняем» систему порядка получаса-часа. Температура радиаторов не должна заметно отличаться от комнатной. Резисторы снабберов ключей и остальные элементы тоже должны оставаться холодными. Рис.10. Осциллограммы напряжения на затворе одного из транзисторов ключей моста (слева) и напряжения на нагрузке (справа). Примечание: нижняя (желтая) диаграмма — сигнал внешней синхронизации, который берется с вывода «LO» микросхемы IR2153 (рис.8). Его фаза совпадает с исходной фазой одного из управляющих сигналов. Если все прошло так, как перечислено выше, то первые испытания моста можно считать законченными и успешными. Теперь можно переходить к изготовлению следующего блока — нагрузки. Нагрузка Схема Эквивалентная схема нагрузки для индукционного нагрева и плавки представлена на рис.11. Вихревые токи, индуцируемые в нагреваемом образце, образуют воздушный трансформатор с катушкой индуктора, а резистор отражает омические потери в образце. Компенсирующий конденсатор с катушкой индуктора образует последовательный колебательный контур, характеризующийся определенной резонансной частотой и добротностью. Понижающий трансформатор Tr1 осуществляет согласование сравнительно низкоомной нагрузки с инвертором, представляющим собой источник напряжения. Рис.11. Эквивалентная схема нагрузки для индукционного нагрева @ Кухтецкий С.В., 2010 Замечательной особенностью резонансной нагрузки является то, что на частоте резонанса она представляет собой чисто активное сопротивление. Т.е. мощность, идущая на омический нагрев образца, максимальна на частоте резонанса. Это дает нам возможность регулировать мощность нагрева просто путем изменения рабочей частоты инвертора вблизи частоты резонанса. Об этом подробнее мы поговорим позже, а сейчас займемся изготовлением самой нагрузки. Нам необходимы три детали: конденсаторная батарея C, сам индуктор L и согласующий трансформатор Tr1. Конденсаторная батарея Подходящий конденсатор для нагрузки можно взять готовый (например, специальные конденсаторы с водяным охлаждением типа К87-21). А можно сделать батарею конденсаторов, которые в сумме смогут «прокачивать» достаточную реактивную мощность и при обычном воздушном охлаждении (за счет естественной конвекции или дополнительного обдува). В этом случае можно взять недорогие конденсаторы с малым тангенсом угла потерь (например, высоковольтные полипропиленовые типа CBB81, К78-2). Более высоковольтные конденсаторы предпочтительней, т.к. они могут рассеивать больше мощности. Батарея более доступна, и ее легче наращивать по мере необходимости. Поэтому выбираем именно этот вариант. На рис. 12 показаны все комплектующие и инструменты, необходимые для изготовления конденсаторных батарей. Рис.12. Детали и инструменты для изготовления конденсаторных батарей В данной конструкции использованы конденсаторы CBB81 емкостью 0.033 мкФ и рабочим напряжением 2000 В. Группы конденсаторов по 18 штук припаиваются к одной паре медных шин и образуют законченный модуль. Из этих модулей легко собрать батарею большего размера. На одном конце каждой шины имеется два отверстия и разрез, при помощи которых можно обеспечить надежный электрический и тепловой контакт с общей токоведущей трубчатой шиной. Медные шины, к которым припаяны конденсаторы, имеют сечение 50 кв.мм. Поэтому они хорошо охлаждаются от трубчатых шин, которые, в свою очередь, охлаждаются водой, протекающей к индуктору. Три готовых модуля показаны на рис.13. Рис.13. Готовые конденсаторные модули @ Кухтецкий С.В., 2010 Следующая деталь нагрузки, которую нам нужно изготовить, — индуктор. Индуктор Размеры и конструкция индуктора конечно же зависит от решаемой задачи. Данный инвертор будет работать в качестве источника питания высокотемпературной трубчатой печи, работающей при температурах 1500-2000 градусов. В этой печи нагревательным элементом будет изолированная от атмосферного воздуха графитовая трубка. Поэтому для тестирования инвертора сделаем многовитковый горизонтальный индуктор, подобный тому, который будет использоваться в будущей печи. Индуктор будет содержать 6 витков, диаметр витка – 20 мм, диаметр медной трубки, из которой будем делать индуктор, равен 4 мм. В изготовлении катушки индуктора нет ничего сложного. Находится подходящая болванка (в нашем случае кусок нержавеющей трубы с внешним диаметром 20 мм). Оценивается длина медной трубки, необходимая для намотки катушки (теоретически или путем измерения длины подходящей гибкой ПХВ-трубки). Для того, чтобы медная трубка не сминалась при намотке, ее внутренность должна быть плотно «забита» каким-нибудь наполнителем. Обычно для этой цели используется мелко просеянный сухой песок. Его потом легко вытряхнуть из готовой катушки вручную или выдуть воздушным компрессором. Итак, расплющим самый кончик прямой трубки достаточной длины. Через подходящую вороночку насыпаем песок с другой стороны. Слегка утрамбовываем, досыпаем при необходимости. Потом расплющиваем второй конец трубки. После этого трубка легко гнется как обычный мягкий пруток. Не сминается, по крайней мере, до внутреннего радиуса кривизны сгиба 1-1.5 диаметра. После намотки отрезаем расплющенные концы трубки, вытряхиваем песок и припаиваем индуктор к двум прямолинейным медным трубкам диаметром 6 мм и длиной 20-25 см. Это и есть те трубчатые шины, к которым будут подсоединяться модули конденсаторной батареи. Эти же трубки будут служить единственным витком вторичной обмотки согласующего трансформатора. Одна из них будет проходить через центр кольцевого сердечника трансформатора, а вторая — снаружи. Готовый индуктор показан на рис.14. Рис.14. Готовый индуктор для трубчатой печи Осталась изготовить последнюю деталь нагрузки – согласующий трансформатор. Согласующий трансформатор Сердечник согласующего трансформатора представляет собой три кольца К32х16х12. Марка феррита М2000НМ-1Б. Кольца сложены вместе и обмотаны фторопластовой лентой. Первичная обмотка – 20 витков провода МГТФ 1.0. Намотана в один слой. Теперь у нас все готово для сборки и испытания нагрузки. Испытание резонансной нагрузки Общий вид нагрузки, подготовленной для испытаний, показан на рис.15. Винты и гайки – немагнитные, латунные. Поскольку они находятся вблизи сильных переменных токов, то ставить стальные метизы нежелательно, т.к. увеличиваются потери и возникает лишний нагрев в шинах. @ Кухтецкий С.В., 2010 Рис.15. Готовая к испытаниям нагрузка Фактически испытательный стенд у нас уже готов. В качестве регулируемого низковольтного источника питания по-прежнему будем использовать Б5-8. Мост и плата управления у нас уже соединены между собой и подключены к источникам питания. В качестве нагрузки вместо лампочки подключим к мосту первичную обмотку согласующего трансформатора. В процессе испытаний даже при малых мощностях индуктор заметно греется. Поэтому необходимо подключить его к системе водяного охлаждения. Можно использовать и обычный водопровод. В этом случае для электрической развязки индуктор к водопроводу необходимо подключать через достаточно длинный (несколько метров) и тонкий диэлектрический шланг. На выходном шланге можно сделать небольшую металлическую вставку, к которой можно прикрепить термопару от обычного китайского мультиметра. Получится удобный датчик для контроля охлаждающей воды. Итак, собранный стенд теперь выглядит как на рис.16. Поясняющие надписи – на изображении. Рис.16. Стенд в процессе испытания Пара дополнительных комментариев. Согласующий трансформатор в процессе работы заметно греется. Поэтому при работе на уровне 1 кВт и выше ему необходимо принудительное охлаждение. Самый простой вариант – поставить дополнительный вентилятор, как показано на рис.16. И еще совет. Обмотайте трансформатор снаружи колечком ПХВ-изоленты. Лучше китайской. С натягом. Тогда если трансформатор нагреется до опасных температур, она порвется и отскочит. Сразу будет видно. Дополнительная «диагностика» никогда не помешает! Ну и наконец, прежде чем приступить непосредственно к испытаниям, обсудим один очень важный вопрос, связанный с резонансными нагрузками и частотным регулированием мощности. @ Кухтецкий С.В., 2010 Особенности работы с инвертором при частотном регулировании Поскольку в данном инверторе используется частотный способ регулирования мощности, включать его без резонансной нагрузки нежелательно. В качестве нагрузки используется последовательный колебательный контур (индуктор с конденсаторной батареей), соединенный с мостом через понижающий согласующий трансформатор. Кроме этого, поскольку данная конструкция не содержит вообще никаких защит и ограничителей, добротность нагрузки не должна быть сильно высокой. Т.е. не рекомендуется включать установку, например, с «пустым» индуктором. В нашем случае энергию поглощать будет графитовый стержень подходящего размера. Чтобы случайно не замкнуть витки индуктора, поместим его в кварцевую трубку, торцы которой заделаны пробками из мертеля. Сам процесс работы с инвертором при ручном частотном регулировании мощности довольно прост и происходит следующим образом. 1. Включаем водяное охлаждение индуктора и всю диагностическую аппаратуру. 2. Ручка регулятора частоты выводится на максимальное значение частоты (т.е. R1 на рис.7 должно быть равно нулю). Максимальное значение частоты генератора управляющих импульсов должно быть заведомо больше резонансной частоты контура нагрузки. Минимальное – не больше. Иначе можно не дойти до требуемой мощности. 3. После этого включаем питание управляющих узлов (12 В). Убеждаемся, что плата управления работает (например, по наличию синхроимпульсов), и все вентиляторы исправно крутятся. 4. Включаем питание моста. В данном тестировании это низковольтный Б5-8, а в реальной работе – сетевой источник на 310 В. 5. Если ничего страшного не произошло, начинаем плавно понижать частоту генератора. В данных испытаниях приближение к резонансу контролируем по осциллограмме тока в нагрузке. Сигнал берется с трансформатора тока, надетого на провод, идущий от моста к согласующему трансформатору (рис.15). В реальной же работе (от сети) процесс можно (и даже более удобно) контролировать по полному току, потребляемому установкой от сети. 6. При приближении к резонансу амплитуда тока в нагрузке (или потребляемый инвертором ток) начинает расти. Продолжая понижать частоту, плавно выводим инвертор на нужную мощность. Переходить через резонанс нежелательно. При работе на низком напряжении (тестировании) ничего страшного, конечно, не произойдет. Более того, это придется сделать, для того, чтобы точнее определить резонансную частоту нагрузки. А вот в реальной работе (на высоком напряжении) это чревато перегревом транзисторов ключей. А поскольку автоматической защиты в данной конструкции не предусмотрено, то лучше не рисковать. Обязательно нужно постоянно контролировать температуру радиаторов. Несмотря на то, что в данной конструкции при штатной работе температура радиаторов обычно ненамного превышает комнатную температуру (5-10 градусов при 1-1.5 кВт потребляемых от сети), постоянный контроль все равно необходим. Еще из общих принципов безопасной работы инвертора следует отметить, что недопустимы замыкания витков индуктора и его цепей каким-нибудь упавшим инструментом или проводящим образцом. Выключение производится в обратном порядке. 7. Ручку регулятора частоты крутим в обратную сторону – выводим частоту на максимум. 8. Затем выключается напряжение питания моста. 9. Через некоторое время (при реальной работе от сети — после разрядки конденсаторов фильтра) выключаем питание 12 В. 10. Выключаем остальную аппаратуру и, естественно, не забываем перекрыть воду охлаждения. Есть еще одна особенность, связанная с ручной частотной регулировкой мощности инвертора и отсутствием автоподстройки частоты под резонансную. Она возникает при работе с ферромагнитными материалами (например, при плавке стали). При нагреве любого ферромагнитного материала есть определенная температура (точка Кюри), для каждого материала своя, при котором происходит фазовый переход. Материал при этом теряет свои ферромагнитные свойства, его магнитная проницаемость резко падает. Это приводит к возрастанию резонансной частоты нагрузки. В результате рабочая частота инвертора может оказаться ниже резонансной частоты контура (нагрузки). Поскольку в данной конструкции автоматическая подстройка частоты отсутствует, то при работе с ферромагнитными материалами необходимо соблюдать дополнительные меры предосторожности. Если, конечно, планируется нагрев выше точки Кюри. Самый простой способ безопасной работы в этом случае – использовать минимальные загрузки индуктора (объем ферромагнитного материала мал по сравнению с объемом индуктора). Другие способы (например, заранее оценить сдвиг резонансной частоты и, при приближении к точке Кюри, вручную подстроить частоту инвертора) слишком рискованны и малоэффективны, т.к. при подходе к точки Кюри придется перейти на @ Кухтецкий С.В., 2010 меньшие мощности нагрева. Поэтому для таких задач лучше просто увеличить объем индуктора и поднять мощность инвертора. Тем более, что проблемы достижения максимального кпд нагрева – обычно не самые актуальные для лабораторных установок. Вот теперь, наконец, мы можем перейти к испытанию резонансной нагрузки. Делаем все так, как описано выше. Снимем осциллограммы напряжения на нагрузке (на первичной обмотке согласующего трансформатора) и тока. Сигналы должны быть двухполярными и максимально симметричными относительно нуля. Ток должен быть синусоидальным, а напряжение – меандр. Выглядеть они должны приблизительно так, как показано на рис. 17. Обратите внимание, что переключение ключей происходит не в самые лучшие моменты времени. Это плата за выбор простейшего алгоритма управления ключами моста. В будущем можно будет поэкспериментировать с другими алгоритмами – конструкция это позволяет. Рис.17. Осциллограммы напряжения (слева) и тока (справа) на нагрузке «Погоняем» установку часок-другой при напряжениях питания инвертора приблизительно 30-50 В. Все должно оставаться холодным. Если так и есть, то будем считать, что вторые испытания наш инвертор прошел успешно. Осталось изготовить последний модуль – блок питания моста и перейти к финальным испытаниям. Блок питания моста В простейшем случае блок питания моста представляет собой нерегулируемый источник постоянного напряжения, состоящий из диодного моста подходящей мощности и конденсатора большой емкости для фильтрации пульсаций напряжения. Подключить его к сети можно через обычный бытовой автомат, рассчитанный на ток 16-25А, который будет играть роль и выключателя, и предохранителя. Однако, у такого простого решения есть одна проблема. В момент включения конденсатор потребляет слишком большой ток (естественно, если он был разряжен). В лучшем случае это будет приводить к срабатыванию автомата при первом включении. Простейший вариант устранения этой проблемы – поставить на входе выпрямителя токоограничивающий резистор. После того, как конденсаторы фильтра зарядятся, этот резистор следует замкнуть. Замкнуть можно, например, вручную при помощи обычного тумблера. Таким образом, простейшая работоспособная схема блока питания для нашего инвертора может выглядеть так, как показано на рис.18. Рис.18. Схема простейшего блока питания моста Неприятность такого простейшего решения заключается в том, что необходимость производить дополнительные ручные манипуляции при включении/выключении инвертора часто приводит к ошибкам. @ Кухтецкий С.В., 2010 Поэтому желательно поставить какую-нибудь несложную автоматику. Это может быть, например, таймер, замыкающий резистор через какое-то время после включения. Другой вариант – реле, срабатывающее при достижении напряжения на конденсаторе некоторого определенного (порогового) значения. В данной конструкции выбран второй вариант. В принципе можно придумать бесконечное количество возможных решений этой задачи. Никаких особых требований здесь нет. Поэтому все может определяться личными предпочтениями и наличием необходимых комплектующих. У меня под рукой оказались 12-вольтовые реле JQX-15F(T90), контакты которого рассчитаны на ток до 30А, и оптопара PC817, светодиод которой вполне может служить плечом делителя напряжения на конденсаторе. Это и определило выбранное схемотехническое решение. Схема блока питания с автоматическим замыканием/размыканием балластных резисторов R1-R2 при достижении определенного уровня напряжения на конденсаторах фильтра приведена на рис.19. Рис.19. Схема блока питания моста Резисторы R2, R3 и светодиод оптопары образуют слаботочный делитель выходного напряжения блока питания. Когда конденсатор C1 зарядится до определенного напряжения (оно регулируется резистором R6), транзистор T1 открывается, срабатывает реле K1, контакты которого замыкают резисторы R1 и R2. Поскольку высоковольтная и низковольтная цепи имеют гальваническую развязку, то для питания последней можно использовать тот же блок питания, что и для модуля управления и вентиляторов. Детали для сборки блока питания с готовой платой управления реле показаны на рис. 20. Рис.20. Детали блока питания Выпрямительный мост и плата размещены на небольшом кулере с вентилятором. В принципе, такое мощное охлаждение моста здесь не требуется, но кулер оказался неплохим конструктивным элементом, а 12 В все @ Кухтецкий С.В., 2010 равно подводится к плате. Поэтому охлаждение блока питания получилось с очень большим запасом. Общий вид собранного блока питания показан на рис. 21. Рис.21. Готовый блок питания моста Настройка блока питания заключается в установке порога срабатывания реле при напряжении на конденсаторах фильтра в районе 200-250 В при помощи подстроечного резистора R6. Для регулирования входного напряжения используем ЛАТР. Для контроля напряжения на выход источника подключаем вольтметр. Относительно быструю разрядку конденсаторов во время настройки осуществляем при помощи резистора (мощность — пара ватт и сопротивление 10-20 кОм). Все. Теперь можно приступать к финальным испытания всей установки. Финальные испытания инвертора Поскольку данный инвертор был предназначен для питания высокотемпературной трубчатой печи с графитовым нагревателем, то для финальных испытаний инвертора изготовим простой макет такой печи, как показано на рис.22. Рис.22. Макет трубчатой печи для финальных испытаний На внутреннюю керамическую трубку надевается графитовая трубка подходящего размера. Вся эта конструкция помещается внутрь защитной кварцевой трубки, торцы герметизируются пробками из мертеля. Внешний чехол из кварца выбран исключительно из соображений визуального контроля за поведением графита. В реальной печи это будет тоже керамика. Поместим этот макет в индуктор на керамических стойках так, чтобы кварцевая трубка не касалась витков индуктора. Подключаем блок питания, который мы только что изготовили, к инвертору (вместо Б5-8) с одной стороны и к сети (через автомат и амперметр переменного тока) с другой стороны. Параллельно выходу источника подключим вольтметр для контроля напряжения питания моста инвертора. Перепроверив все несколько раз, включаем установку как было описано выше, в разделе тестирования нагрузки. Плавно понижая частоту инвертора, устанавливаем потребляемый от сети ток на уровень 1А. Контролируем ток в нагрузке по осциллографу. Там должен быть синусоидальный сигнал, возможно, с @ Кухтецкий С.В., 2010 небольшими выбросами. Если выбросы сильные (сравнимые с сигналом), нужно прекратить испытания и искать причину. На этой мощности (порядка 200 Вт) «погоняем» установку в течение получаса. Температура радиатора ключей не должна заметно превышать комнатную (не более 2-3 градусов). За это время окончательно просохнет внутренность макета трубчатой печи. Осторожно поднесем тыльную сторону ладони к макету (не касаясь индуктора!). От него должно идти тепло. Все. Можно перевести дух и начать увеличивать мощность. Постепенно ступеньками в течение 10-20 мин доводим потребляемый ток до 5 А. На уровне 2 А нагрев графита становится видимым по его свечению. На уровне 4-5 А цвет каления внутренней поверхности алундовой трубки становится ярко белым. Вот и все. На этом испытания инвертора для питания трубчатой печи можно считать успешно закончившимися. Что же касается макета трубчатой печи, то мне необходимо было выяснить, насколько эффективно такое простейшее решение сможет защитить графитовый нагреватель от окисления. Поэтому аналогичные (только более длительные) испытания были проделаны в течении несколько дней с утра до вечера. На рис.23 показан общий вид стенда к концу десятого часа непрерывной работы. Его состояние и параметры абсолютно такие же, как и в начале работы при выходе на заданную мощность. Конечно, с точностью до колебаний температуры и влажности в комнате. Рис.23. Заканчивается десятый час непрерывной работы стенда На рис.24 показан макет трубчатой печи в процессе работы крупным планом. Капля воды на индукторе (это конденсат) удачно иллюстрирует эффективность охлаждения индуктора и конденсаторов батареи. На улице только что прошла теплая летняя гроза, и влажность воздуха – 100%. Замечательно, что капли конденсата появились не только на трубчатой шине индуктора, но и на плоских конденсаторных шинах. Почти до самых концов этих шин (!). Так что природа сделала мне неожиданный сюрприз — подарила довольно эффективную диагностику температурных полей в конденсаторной батарее. Вывод из этой нежданной диагностики положительный – охлаждение через толстые медные шины работает весьма эффективно. Рис.24. Образец крупным планом @ Кухтецкий С.В., 2010 Осциллограммы тока в нагрузке приведены на рис.25. Рис.25. Ток в нагрузке при работе в штатном режиме На этой же осциллограмме показаны моменты включения и выключения ключей моста. Видно, что включение ключей происходит вблизи нуля тока, а выключение – на dead time меньше полупериода. Тут уже ничего не поделаешь. Как уже отмечалось выше, жесткий режим работы ключей в данной конструкции – плата за простейшую схему управления. Ну и, наконец, осталось посмотреть, что же стало с графитом после таких «истязаний». Суммарная наработка макета получилась около 30 часов при температуре (в среднем) порядка 1400-1500 градусов. Вскрываем и смотрим (рис.26). Рис.26. Макет трубчатой печи после испытаний Видно, что один конец графитовой трубки разрушился за счет частичной разгерметизации одной пробки. Трещина в пробке образовалась в самом начале испытаний. Это было хорошо видно, но переделывать пробку я не стал. Зато другой конец практически не изменился. Так что идея в целом работает, нужно только тщательней выполнять герметизацию и удлинить пробки. Все. Испытания закончены. Инвертор готов к работе в качестве источника питания высокотемпературной трубчатой печи. @ Кухтецкий С.В., 2010 Выводы и обсуждение Рассмотренная конструкция инвертора отработала в сумме более 200 часов на уровне потребляемой мощности 1-1.5 кВт. Никаких нештатных ситуаций и аварий за это время с ней не приключилось. Регулировка мощности на графитовых образца происходит плавно. Уровень мощности стабилен и повторяем. Для лабораторных нужд было изготовлены и протестированы еще два точно таких же инвертора, которые в среднем показали такие же параметры и эксплуатационные характеристики. Так что такое решение можно считать вполне работоспособным и повторяемым. Установка проста, не содержит очень дорогих или дефицитных комплектующих и доступна для повторения любому квалифицированному экспериментатору, которому необходим индукционный нагрев для своих экспериментов. Инвертор такого типа может быть использован не только с низкодобротными нагрузками (типа графитовых трубчатых печей или тиглей). Как и в предыдущей работе [1], этот инвертор испытывался и в условиях малых загрузок различных металлов (левитационная плавка небольших алюминиевых образцов, нагрев небольших предметов и т.п.). Регулировка мощности становится немного более «жесткой», но вполне приемлемой и контролируемой. Так что в подобных приложениях такой инвертор тоже может быть использован. Ну вот фактически и все. На этом можно было бы и остановиться. Такой инвертор может «закрыть» многие проблемы физико-химической лаборатории, связанные с нагревом до высоких температур и плавкой. Конечно, при соблюдении определенных правил безопасной работы! Любое реальное устройство всегда имеет какие-то недостатки, которые не мешало бы устранить. Всегда хочется сделать какие-то усовершенствования. Поэтому «развивать эту тему» можно бесконечно. Главное — вовремя остановиться. В этой работе мы так и поступим, потому что неплохая основа для работы у нас уже есть. Тем не менее, в заключение хотелось бы отметить пару очень простых модернизаций установки, которые при необходимости можно сделать «в рабочем порядке», без серьезных изменений уже описанных решений. Они мною не проверялись на практике, но очень прозрачны и просты. Поэтому должны сработать. 1. Защита. Главная целью этой работы было максимально быстрое изготовления простого рабочего варианта лабораторного инвертора. Все было подчинено этой цели, поэтому никакие средства быстродействующей защиты силового модуля здесь вообще не предусмотрены. Как уже обсуждалось в [1], при аккуратной и продуманной эксплуатации инверторы работают вполне надежно. Длительные испытания мостового инвертора, описанного в данной работе, также это продемонстрировали. Тем не менее, простейшую цепь защиты инвертора от перегрузки по выходному току поставить не помешает. Тем более, что это несложно сделать. Суть модернизации такова. Изготовим небольшой трансформатор тока на кольцевом сердечнике с маломощным диодным выпрямителем. Через центр кольца пропустим один из проводов, идущих к согласующему трансформатору. Напряжение на выпрямителе будет пропорционально среднеквадратичному значению тока в нагрузке. Далее этот сигнал необходимо подать на какой-нибудь регулируемый пороговый элемент (компаратор, таймер, даже транзистор или тиристор в простейшем случае), который будет выдавать низкий уровень напряжения (логический ноль), если выходной ток инвертора превысит порог, и высокий уровень (логическая единица) если ток меньше порогового. Этот сигнал нужно подать (через встречный диод) на ножку 3 (CT) микросхемы IR2153 (рис.7). У этой микросхемы нет специально входа блокировки генератора, но если уровень сигнала на 3-й ножке принудительно установить на уровень меньше, чем 1/6 от напряжения питания, то на обоих выходах IR2153 с минимальной задержкой установится 0. Таким образом произойдет аварийная остановка инвертора – все ключи закроются. 2. Мощность. Мощности всегда не хватает. Поэтому в заключение обсудим одну идею, как можно создавать на базе рассмотренных здесь инверторов (модулей) более мощные установки индукционного нагрева. Как и с защитой, это сделать не сложно. Суть идеи такова. Предположим, что нам нужно сделать устройство в три раза более мощное, чем наш модуль (инвертор), который мы только что сделали. Поступим следующим образом. Изготавливаем по «накатанной схеме» еще два точно таких же инвертора, но их блоки управления немножко упростим. На платы модулей управления не будем ставить генератор управляющих импульсов (т.е. микросхему IR2153 со всей ее «обвязкой»). Сигналы управления для этих двух модулей берем от блока управления первого инвертора. Каждый инвертор, естественно, имеет свой отдельный высоковольтный блок питания моста. Их мы подключим к трехфазной сети. Каждый блок питания – на свою фазу и, естественно, — на общий ноль. В результате мы получим три синхронно работающих инвертора, питающиеся от трехфазной сети. Осталось только «свести» выходы этих трех инверторов на единую нагрузку – наш колебательный контур. На рис.27 показано, как это можно сделать очень просто при помощи наших согласующих трансформаторов. Естественно, трансформаторы должны быть «правильно» сфазированы. Т.е. их нужно надеть на трубчатую шину, идущую к индуктору, так, чтобы поля (э.д.с.) первичных обмоток трансформаторов складывались. В результате мы получим в три раза более мощное устройство на МОП-транзисторах, питающееся от @ Кухтецкий С.В., 2010 нерегулируемых однофазных источников, подключенных к трехфазной сети. При этом мы более-менее равномерно «нагрузим» фазы. Рис.27. Агрегирование лабораторных инверторов для наращивания мощности Ну, вот теперь можно и остановиться. Литература 1. Кухтецкий С.В. Простой лабораторный инвертор для индукционного нагрева. http://www.icct.ru/Practicality/Papers/30-03-2010/Invertor-01.php или http://ku.nextmail.ru/pdf/Invertor-01.pdf 2. Laszlo Balogh. Design And Application Guide For High Speed MOSFET Gate Drive Circuits. http://focus.ti.com/<a Благодарности Работа выполнена при частичной финансовой поддержке ОХНМ РАН (проект №5.5.3) и ГК № 02.740.11.0269. @ Кухтецкий С.В., 2010 Приложение 1 Рис.28. Плата драйверов и платы модулей ключей Размер изображения для печати 11.5 см х 8 см (в пикселах — 2634 х 1890). Разрешение 600 dpi. Изображение предназначено для изготовления плат методом «лазерного утюга». 10.06.23.13.59

Индукционный нагреватель своими руками из сварочного инвертора

Как сделать индукционную печь и котел отопления из инвертора

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.

Преимущества индукционного нагревателя

Индукционные нагреватели с каждым днем набирают популярность у потребителя благодаря следующим достоинствам:

• высокий показатель КПД;
• агрегат работает практически бесшумно;
• индукционные котлы и нагреватели считаются достаточно безопасными в сравнении с газовым оборудованием;
• нагреватель работает полностью в автоматическом режиме;
• оборудование не требует постоянного обслуживания;
• благодаря герметичности аппарат, исключаются протечки;
• из-за вибраций электромагнитного поля образование накипи становится невозможным.

Также к преимуществам данного типа нагревателя можно отнести простоту его конструкции и доступность материалов для сборки аппарата своими руками.

Схема работы индукционного нагревателя

Нагреватель индукторного типа содержит следующие элементы.

1. Генератор тока. Благодаря данному модулю переменный ток бытовой электросети преобразуется в высокочастотный.
2. Индуктор. Изготавливается из медной проволоки, скрученной в виде катушки, для образования магнитного поля.
3. Нагревательный элемент. Представляет собой металлическую трубу, размещенную внутри индуктора.

Все перечисленные элементы, взаимодействуя между собой, работают по следующему принципу. Выработанный генератором высокочастотный ток поступает на катушку индуктора, изготовленную из медного проводника. Ток высокой частоты преобразуется индуктором в электромагнитное поле. Далее, металлическая труба, находящаяся внутри индуктора, разогревается благодаря воздействию на нее вихревых потоков, возникающих в катушке. Теплоноситель (вода), проходящий через нагреватель, забирает тепловую энергию и переносит ее в отопительную систему. Также теплоноситель выступает в роли охладителя нагревательного элемента, что продляет “жизнь” отопительному котлу.

Ниже предоставлена электрическая схема индукционного нагревателя.

На следующем фото показано, как работает индукционный нагреватель металла.

Важно! Если прикоснуться разогреваемой деталью к двум виткам индуктора, то произойдет межвитковое замыкание, от которого мгновенно выгорят транзисторы.

Сборка и монтаж системы

Подключать индуктор к клеммам сварочного аппарата, предназначенным для подсоединения сварочных кабелей, нельзя. Если это сделать, то агрегат просто выйдет из строя. Чтобы приспособить инвертор под работу с индукционным нагревателем, потребуется достаточно сложная переделка аппарата, требующая, в первую очередь, знаний в радиоэлектронике.

В двух словах, эта переделка выглядит так: катушку, а именно ее первичную обмотку, требуется подсоединить после преобразователя высокой частоты инвертора вместо встроенной индукционной катушки последнего. Кроме этого, потребуется удалить диодный мост и спаять конденсаторный блок.

Как происходит переделка сварочного инвертора в индукционный нагреватель, можно узнать из этого видео.

Индукционная печь для металла

Чтобы сделать индукционный нагреватель из сварочного инвертора, потребуются следующие материалы.

1. Инверторный сварочный аппарат. Хорошо, если в агрегате будет реализована функция плавной регулировки тока.
2. Медная трубка диаметром около 8 мм и длиной, достаточной, чтобы сделать 7 витков вокруг заготовки 4-5 см в диаметре. Кроме этого, после витков должны остаться свободные концы трубки длиной около 25 см.

Для сборки печи выполните следующие действия.

1. Подберите какую-либо деталь диаметром 4-5 см, которая будет служить шаблоном для наматывания катушки из медной трубки. Это может быть деревянная круглая деталь, металлическая или пластиковая труба.
2. Возьмите медную трубку и заклепайте один ее конец молотком.
3. Плотно заполните трубку сухим песком и заклепайте второй ее конец. Песок не даст трубке сломаться при скручивании.
4. Сделайте 7 витков трубки вокруг шаблона, после чего спилите ее концы и высыпьте песок.
5. Подсоедините получившуюся катушку к переделанному инвертору.

Индукционный нагреватель для воды

Для сборки отопительного котла потребуются следующие конструктивные элементы.

1. Инвертор. Аппарат выбирается такой мощности, какая нужна для отопительного котла.
2. Толстостенная труба (пластиковая), можно марки PN Ее длина должна быть 40-50 см. Сквозь нее будет проходить теплоноситель (вода). Внутренний диаметр трубы должен быть не меньше 5 см. В таком случае наружный диаметр будет равняться 7,5 см. Если внутренний диаметр будет меньше, то и производительность котла буде невысокой.
3. Стальная проволока. Также можно взять пруток из металла диаметром 6-7 мм. Из проволоки или прутка нарезаются небольшие куски (4-5 мм). Эти отрезки будут выполнять роль теплообменника (сердечника) индуктора. Вместо стальных отрезков можно использовать цельнометаллическую трубку меньшего диаметра или стальной шнек.
4. Палочки или стержни из текстолита, на которые будет наматываться индукционная катушка. Применение текстолита убережет трубу от нагретой катушки, поскольку данный материал устойчив к высоким температурам.
5. Изолированный кабель сечением 1,5 мм 2 и длиной 10-10,5 метров. Изоляция кабеля должна быть волокнистой, эмалевой, стекловолоконной или асбестовой.

Индукционный котел отопления собирается по следующему алгоритму. Заполните корпус теплообменника изделиями из металла, о которых говорилось выше. На конце трубы, служащей корпусом, припаяйте переходники, подходящие по диаметру к трубам отопительного контура.

При необходимости, к переходникам можно припаять уголки. Также следует припаять муфты-американки. Благодаря им нагреватель будет легко демонтировать, для проведения ремонта или профилактического осмотра.

На следующем этапе на корпус теплообменника необходимо наклеить текстолитовые полоски, на которые будет наматываться катушка. Также следует сделать из того же текстолита пару стоек высотой 12-15 мм. На них будут расположены контакты для подключения нагревателя к переделанному инвертору.

Поверх полосок из текстолита намотайте катушку. Между витками должно быть расстояние не менее 3 мм. Намотка должна состоять из 90 витков проводника. Концы кабеля необходимо закрепить на ранее подготовленных стойках.

Вся конструкция помещается в кожух, который в целях безопасности будет выполнять роль изоляции. Для кожуха подойдет пластиковая труба диаметром большим, чем катушка. В защитном кожухе необходимо сделать 2 отверстия для вывода электрического кабеля. В торцы трубы можно установить заглушки, после чего в них следует проделать отверстия под патрубки. Через последние котел будет подсоединяться к отопительной магистрали.

Важно! Испытывать нагреватель можно лишь после заполнение его водой. Если включить его “на сухую”, то пластиковая труба расплавится, и придется собирать нагреватель заново.

Далее, котел врезается в систему отопления по схеме, приведенной ниже.

Схема подключения состоит из следующих элементов.

1. Источник высокочастотного тока. В данном случае – это видоизмененный инвертор.
2. Индукционный нагреватель.
3. Элементы безопасности. В эту группу могут входить: термометр, предохранительный клапан, манометр и т.д.
4. Шаровые краны. Используются для слива или заправки системы водой, а также для перекрытия подачи воды на определенном участке контура.
5. Циркуляционный насос. Благодаря ему вода сможет двигаться по отопительной системе.
6. Фильтр. Применяется для очистки теплоносителя от механических загрязнений. Благодаря очистке воды продлевается срок службы всего оборудования.
7. Расширительный бачок мембранного типа. Применяется для компенсации теплового расширения воды.
8. Радиатор отопления. Для индукционного отопления лучше использовать либо алюминиевые радиаторы, либо биметаллические, поскольку они при небольших габаритах имеют высокую теплоотдачу.
9. Шланг, через который можно заполнять систему либо сливать из нее теплоноситель.

Как видно из вышеописанного метода, самостоятельно изготовить индукционный нагреватель вполне возможно. Но лучше покупного он не будет. Даже если вы обладаете необходимыми знаниями в электротехнике, следует задуматься, насколько будет безопасной эксплуатация такого аппарата, поскольку он не оборудован ни специальными датчиками, ни блоком контроля. Поэтому рекомендуется отдать предпочтение готовому оборудованию, изготовленному в заводских условиях.

Как из инвертора для сварки сделать нагреватель

Принцип нагрева металла вихревыми токами, индуцируемыми внешним электромагнитным полем, известен достаточно давно. Плавильные индукционные тигельные печи используются в металлургии с начала прошлого века. Индукционный нагрев применяется при закалке инструмента и пайке массивных деталей.

Идея использовать индукционный нагрев в системах отопления начала реализовываться в конце прошлого века. Наряду с промышленными установками, стали появляться самодельные устройства, в том числе такие, как индукционный нагреватель из сварочного инвертора.

Принцип работы в системе водяного отопления

Источником рабочего электромагнитного поля индукционного нагревателя служит индуктор, представляющий собой катушку из проводникового материала. Индуктор индукционного нагревателя подключен к источнику переменного тока высокой частоты. Внутрь катушки, где поле наиболее интенсивно, помещается металлический предмет, служащий магнитным сердечником.

Под воздействием поля индуктора в толще стального сердечника происходит намагничивание зерен структуры металла (доменов). Вектор магнитной индукции каждого домена изменяет своё направление с частотой внешнего поля. В результате индуцируются так называемые вихревые токи, быстро разогревающие металл сердечника.

Теперь представим, что роль сердечника играет стальная труба отопления, по которой движется теплоноситель. Получая энергию в результате индукционного нагрева, труба отдает тепло циркулирующей жидкости. Так происходит разогрев системы водяного отопления.

Источник напряжения высокой частоты

Создание своими руками высокочастотного блока питания для индукционного нагревателя хоть и не относится к разряду невыполнимых задач, все же под силу далеко не каждому. И здесь на помощь может прийти готовое устройство, обычный бытовой сварочный инвертор.

Из сведений об устройстве сварочного инвертора известно, что в нем происходит формирование переменного напряжения с частотой до нескольких десятков килогерц.

То есть, сварочный инвертор представляет собой готовый мощный источник тока высокой частоты, который можно использовать для питания индуктора. Многочисленные примеры реализации этой идеи подтверждают возможность создания установки для индукционного нагрева металла из сварочного инвертора.

Подключение к индуктору

Вначале следует сказать о конструкции самого индуктора. Его рекомендуется сделать в виде цилиндрической катушки, намотанной в один ряд медным проводом. Витки должны быть изолированы друг от друга.

Рекомендуемое число витков – от 80 до 100. Сечение провода обычно составляет 2,5 – 4 мм2. В качестве сердечника можно использовать саму трубу отопления, но практические опыты показали, что вода при этом греется слабо. Поэтому была опробована другая конструкция сердечника.

Для более интенсивного нагрева теплоносителя в качестве сердечника предложено использовать отрезок пластиковой трубы, заполненный обрезками стальной проволоки, диаметром 5 – 6 мм.

При такой схеме происходит индукционный нагрев проволоки, обтекаемой теплоносителем. За счет увеличения площади теплообмена вода нагревается значительно интенсивней. Участок трубы с проволокой следует ограничить стальными сетками с обеих сторон, во избежание попадания обрезков в систему отопления.

Что касается собственно подключения сварочного инвертора, то рекомендации тех, кто сделал индукционный нагреватель своими руками, несколько неоднородны.

Так, часть советов сводится к изготовлению дополнительного промежуточного трансформатора, во вторичную обмотку которого включается индуктор с конденсатором.

Другая часть мастеров просто наматывают один виток медного провода на тороидальный высокочастотный трансформатор сварочного инвертора и напрямую к нему подключают индуктор.

В любом случае, не следует использовать выводы + и — сварочного инвертора, с которых осуществляется сварка. Напряжение на них выпрямленное, с наложенными высокочастотными пульсациями. Постоянная составляющая сварочного напряжения просто перегреет индуктор, не создавая рабочего поля.

Преимущества

Реальными преимуществами индукционных нагревателей являются:

• надежная гальваническая развязка цепей нагревателя с системой отопления;
• более мягкий режим работы индуктора по сравнению с обычными электрическими нагревателями.

Описывая нагреватели такого типа, сторонники этого вида отопления обычно приводят большой список других преимуществ, однако, некоторые из них явны вымышленные.

Так, ожидать экономию электроэнергии, применяя эти нагреватели, не стоит. Коэффициент полезного действия обычных электрических котлов близок к 100%, более эффективно использовать электроэнергию, потребляемую нагревателем, просто невозможно.

Индукционный нагреватель металла: простая схема для изготовления своими руками

Главная страница » Индукционный нагреватель металла: простая схема для изготовления своими руками

Технология индукционного нагрева быстро наращивает популярность, благодаря многим преимуществам практического использования. Причём этот метод работы с металлами привлекает не столько промышленную индустрию, сколько частный бытовой сектор. Однако условия создания аппаратных установок в обоих случаях существенно отличаются. В отличие от промышленного сектора, частникам, работающим в быту, требуется аппаратура относительно небольшой мощности, простая по исполнению, доступная по цене. Здесь описывается схема на индукционный нагреватель мощностью 1600 Вт, которая вполне реализуется в домашних условиях. Это своего рода пример, демонстрирующий, как создать аппарат под индукционный нагрев для применения в быту.

Принцип технологии индукционный нагрев

Принцип технологии индукционного нагрева достаточно прост с физической точки зрения. Образованная из проводника тока катушка генерирует высокочастотное магнитное поле.

В свою очередь, металлический объект, помещённый во внутреннюю область катушки, индуцирует вихревые токи. В результате объект сильно нагревается.

Параллельно с катушкой индуктивности, как правило, включается резонансная ёмкость. Предпринимается такой шаг для компенсации индуктивного характера катушки.

Резонансная цепь, созданная элементами катушка-конденсатор, возбуждается на собственной резонансной частоте. Значение тока возбуждения существенно меньше, чем значение тока, протекающего через катушку индуктивности.

Схема индукционного простого нагревателя мощностью 1600 Вт

Представленную схему следует рассматривать, скорее, как экспериментальный вариант. Тем не менее, этот вариант является вполне работоспособным. Главные преимущества схемы:

• относительная простота,
• доступность деталей,
• лёгкость сборки.

Схема индукционного нагревателя (картинка ниже) работает по принципу «двойного полумоста», дополненного четырьмя силовыми транзисторами с изолированным затвором из серии IGBT (STGW30NC60W). Транзисторы управляются посредством микросхемы IR2153 (самостоятельно тактируемый полумостовой драйвер).

Схематически представленный упрощённый индукционный нагреватель малой мощности, конструкция которого допускает применение в условиях частных хозяйств

Двойной полумост способен обеспечить ту же мощность, что и полный мост, но тактируемый полумостовой драйвер затвора проще в исполнении и, соответственно, в применении. Мощный двойной диод типа STTh300L06TV1 (2x 120A) работает как схема антипараллельных диодов.

Гораздо меньших по мощности диодов (30А) будет вполне достаточно. Если предполагается использовать транзисторы серии IGBT со встроенными диодами (например, STGW30NC60WD), от этого варианта вполне можно отказаться.

Рабочая частота резонанса настраивается с помощью потенциометра. Наличие резонанса определяется по наиболее высокой яркости светодиодов.

Электронные компоненты простого индукционного нагревателя, создаваемого своими руками: 1 — Мощный двойной диод типа STTh300L06TV1; 2 – транзистор со встроенными диодами тип STGW30NC60WD

Конечно, всегда остаётся возможность построения более сложного драйвера. Вообще, оптимальным видится решение использовать автоматическую настройку.

Таковая, как правило, используется в схемах профессиональных индукционных нагревателей, но текущая схема, в случае такой модернизации, явно утрачивает фактор простоты.

Регулировка частоты, катушка индуктивности, мощность

Схемой индукционного нагревателя предусматривается регулировка частоты в диапазоне, примерно, 110 — 210 кГц. Однако схема управления требует вспомогательного напряжения 14-15В, получаемого от небольшого адаптера (коммутатор допускает коммутируемое исполнение или обычное).

Выход схемы индукционного нагревателя подключается к рабочей цепи катушки через согласующий дроссель L1 и трансформатор изолирующего действия. Дроссель имеет 4 витка провода на сердечнике диаметром 23 см, изолирующий трансформатор состоит из 12 витков двухжильного кабеля, намотанного на сердечнике диаметром 14 см.

Выходная мощность индукционного нагревателя с указанными параметрами составляет около 1600 Вт. Между тем не исключаются возможности наращивания мощности до более высоких значений.

Экспериментальная конструкция индукционного нагревателя, изготовленная своими руками в домашних условиях. Эффективность устройства достаточно высокая, несмотря на малую мощность

Рабочая катушка индукционного нагревателя изготовлена из проволоки диаметром 3,3 мм. Лучшим материалом исполнения катушки видится медная труба, для которой допускается применить простую систему водяного охлаждения. Катушка индуктивности имеет:

• 6 витков намотки,
• диаметр 24 мм,
• высоту 23 мм.

Для этого элемента схемы характерным явлением видится существенный нагрев по мере работы установки в активном режиме. Этот момент следует учитывать, выбирая материал для изготовления.

Модуль резонансного конденсатора

Резонансный конденсатор сделан в виде батареи небольших конденсаторов (модуль собран из 23 малых конденсаторов). Общая ёмкость батареи равна 2,3 мкФ. В конструкции допускается использование конденсаторов ёмкостью 100 нФ (

275В, полипропилен МКП, класс X2).

Этот тип конденсаторов не предназначен для таких целей, как применение в схеме индукционного нагревателя. Однако, как показала практика, отмеченный тип элементов ёмкости вполне удовлетворяет работой на резонансной частоте 160 кГц. Рекомендуется использовать ЭМИ фильтр.

Фильтр электромагнитного излучения. Примерно такой рекомендуется использовать в конструкции индукционного нагревателя с целью минимизации помех

Регулируемый трансформатор допускается заменить схемой «мягкого» старта. Например, можно рекомендовать прибегнуть к использованию схемы простого ограничителя тока:

• нагреватели,
• галогенные лампы,
• другие приборы,

мощностью около 1 кВт, подключаемые последовательно с индукционным нагревателем при первом включении.

Предупреждение о мерах безопасности

Изготавливая индукционный нагреватель по представленной схеме, следует помнить: контур схемы индукционного нагрева подключается к электрической сети и находится под высоким напряжением. Настоятельно рекомендуется использовать в конструкции потенциометр с изолированным стержнем.

Высокочастотное электромагнитное поле несёт вредный потенциал, способный повредить электронные устройства и носители информации. Представленная схема, учитывая простоту реализации, несёт значительные электромагнитные помехи. Этот фактор может привести к различным аварийным последствиям:

• поражению электрическим током,
• ожогам,
• возгораниям.

Поэтому, прежде чем принять решение по созданию и проведению экспериментов с индукционным нагревателем, следует обеспечить полную безопасность для конечного пользователя и окружающих.

Видео: индукционный нагреватель сварочным инвертором

Представленный выше видеоролик – демонстрация работоспособности устройства по нагреву металла. Это устройство изготовлено посредством переделки сварочного инвертора, и как отмечает автор, действует вполне эффективно:

Заключительный штрих

Таким образом, сооружение индукционного нагревателя своими руками для расплавления металла в домашних условиях – это не фантастическая идея, но вполне реализуемое дело. При желании, наличии соответствующей информации, комплектующих деталей, собрать работоспособный нагреватель вполне допустимо.

При помощи информации: Danyk

КРАТКИЙ БРИФИНГ

Zetsila — публикации материалов, интересных и полезных для социума. Новости технологий, исследований, экспериментов мирового масштаба. Социальная мультитематическая информация — СМИ .

Индукционный нагреватель из сварочного инвертора: 4 принципа действия

Индукционный нагреватель из сварочного инвертора доступен каждому, ведь создать его можно своими руками Каждый человек заботится о комфорте и уюте в своем жилом помещении. Особенно это касается загородных домов, коттеджей, когда встает вопрос о правильном выборе системы отопления. Современный торговые представители предлагают большое количество оборудования, вы можете выбрать любой из котловых агрегатов. Но как поступить, если, ни один из печных типов вам не подходит, а от газовой магистрали вы находитесь очень далеко? Мы рекомендуем вам в этой ситуации, ознакомиться с одним из видов электрического оборудования.

Индукционная сварка: принцип работы

Нагреватель такого типа можно создать, имея определенные детали.

Чаще всего в его конструктивные узлы входят:

1. Индуктор, который изготавливается из необходимого количества медной проволоки. Именно она будет обеспечивать своего рода магнитное поле.
2. Элемент да нагрева. Чаще всего он изготавливается из медной трубы, которая находится внутри каждого индуктора.
3. Генератора. Он будет преобразовывать энергию бытового типа в качественный ток.

Все эти компоненты взаимодействуют между собой и работают по принципу нагревателя индукционного типа.

Индукционный нагреватель состоит из генератора и индуктора

Индукционный нагреватель в свою очередь представляет 4 важных момента:

• Генератор, который будет вырабатывать ток, и передавать его на медную кадушку;
• Индуктор, принимающий ток, будет создавать электромагнитное поле;
• Элемент для нагрева будет разогреваться под воздействием потока, и создавать векторные перемены;
• Теплоноситель в процессе разогрева будет передавать свою энергию прямо в отопительную систему.

Такое действие индукционного агрегата дает ряд преимуществ.

Подбираем материалы на индукционный нагреватель своими руками из сварочного инвертора

Инверторный высоковольтный водонагреватель в последнее время пользуется популярностью, так как его можно попробовать сделать своими собственными руками. Для этого вам потребуется схема сборки и инструменты, и при этом совершенно не нужно сварки.

Инверторный высоковольтный водонагреватель на сегодняшний день пользуется большой популярностью

Вам потребуются:

1. Инвертор, который находится в агрегате для сварки. Он сделает процесс монтажа более легким.
2. Пластиковую трубу с толстыми стенками. Эта деталь станет своеобразным корпусом готового устройства.
3. Нержавеющую проволоку. Она будет исполнять роль нагревательного элемента в электромагнитной части.
4. Сетка из металла. Ее задача будет заключаться в удержании кусков проволоки внутри конструкции.
5. Проволока из меди. Она поможет создать индуктор.
6. Насос для регулярной циркуляции воды.
7. Регулятор температуры.
8. Краны шарового типа, чтобы создать подсоединение к отоплению;
9. Кусачки для работы с проволокой.
10. Регрувер и плазморез.

Все эти приборы необходимы. Каждый из них действует взаимосвязано с другим компонентом и при отсутствии одного из них предстоящая работа будет невыполнима.

Как делается индукционная печь из сварочного инвертора своими руками: поэтапность работ

Переделка доступна каждому. Ее можно сделать самому и в результате получить отличную печь. После того как все нужные компоненты и инструменты для индукционного агрегата будут готовы, можно приступать к сборке. Все этапы должны быть выполнены в четкой последовательности.

Индукционную печь из сварочного инвертора несложно сделать самостоятельно

Они заключаются в следующем:

1. Конец пластиковой трубы нужно прикрепить к металлической сетке, чтобы не допустить проваливания проволоки. Здесь же нужно прикрепить переходник для системы отопления.
2. С помощью кусачек нужно нарезать нержавеющую проволоку. Длина каждого куска должна составлять от 1 до 6 см. Все нарезанные куски укладываются в трубу, их расположение должно быть плотным.
3. Другая сторона трубы так же должна быть зафиксирована сеткой. Здесь тоже требуется прикрепить отопительный переходник.
4. Индуктор изготавливается из медной намотки на трубе. Количество витков должно быть примерно 90. Концы медной обработки должны подключиться к сварочному аппарату.
5. Теперь можно провести подключение к отоплению. Для этого подключите циркуляционный насос и терморегулятор для автоматического функционирования.

Сборка окончена. Попробуйте включить инвертор. В рабочем состоянии индуктор должен начать создавать вихревые потоки и ТВЧ. Эти потоки должны нагреть проволоку внутри трубы, которые в свою очередь нагреют носитель тепла.

Переделка сварочного инвертора в индукционный нагреватель: важные моменты

Так как нагреватели индукционного типа, созданные своими руками не способны на самостоятельный контроль над температурой воды, то в первую очередь они могут стать источником опасности. Именно по этой причине такой агрегат сразу нуждается в дополнительных доработках. Если быть точнее, то здесь необходимо добавить устройство над контролем за автоматикой. Сперва потребуется установить определенные приборы, так называемую группу безопасности. Сюда можно включить воздухоотводчики, предохранительные клапаны и манометр.

Нагреватели индукционного типа, созданные своими руками, не способны автоматически контролировать температуру воды

Установка может выдавать оптимальную работу только в системе принудительной циркуляции носителя тепла. В случае самотечной схемы, элемент начнет быстро перегреваться и пластиковая труба разрушится.

Для того чтобы не было перегрева, нагреватель должен быть снабжен устройством аварийного отключения, управление которым будет осуществляться от термостата.

Индукционный нагреватель из сварочного инвертора (видео)

Подводя итоги по данной установке нужно отметить, что создание не сложное, однако в любом случае требует соблюдения многих факторов. Самым большим минусом такой конструкции можно считать то, что он малоэффективна. Кроме того надежность установки находится по сей момент под большим вопросом. Так же следует учесть и то, что возможно создание аварийной ситуации, которая в свою очередь приведет к разрыву пластика и короткому замыканию из-за подачи воды. Поэтому заранее задумайтесь, сможете ли вы создать надежную и эффективную конструкцию.

Индукционный нагреватель из сварочного инвертора

Автор: Игорь

Дата: 22.10.2017

• Статья
• Фото
• Видео

Можно ли самостоятельно сделать индукционный нагреватель своими руками из сварочного инвертора, причём никаких противозаконных действий вы не делаете, и контролирующие или надзорные органы не могут вам наказать за такой способ подключения к электросети. Многие считают, что рациональным решением создания отопительной системы в доме будет подключение газового котла. В принципе, все это верно, но как быть собственнику недвижимости, если нет прямого выхода на централизованную систему газоснабжения. В данном случае поможет один из распространённых вариантов, это монтаж индукционный нагреватель из сварочного инвертора.

Внешний вид индукционного нагревателя из сварочного инвертора

Конструктивные элементы индукционной системы

Состав основных компонентов изготовления нагревателя включает в себя такие компоненты, детали и узлы:

• Генераторные установки преобразования переменного типа тока. В качестве варианта, используют специальный вариант прибора, который преобразует стандартную частоту в 50 Гц в более высокие параметры бытовой электросети с высокими частотными характеристиками.
• Конструкция индуктора. Специальное устройство в виде цилиндрической катушки, в основе которой используется медная проволока, принцип работы которой зависит от имеющего электромагнитного поля.

Медная катушка для нагревателя

• Нагревательный компонент или узел, элемент. В качестве детали используют специальную металлическую трубу стандартного диаметра и размера или пруток, который вводится в магнитное поле.

В дальнейшем собирая индукционный нагреватель из сварочного инвертора своими руками, все взаимосвязанные компоненты взаимодействуют следующим образом:

• Генератор соответствующим естественным путём повышает частоту используемого тока и в трансграничном варианте модифицированного состояния транслирует получаемую энергию на основную катушку.
• Индуктор, по своим параметрам, осуществляет приём высоко частного имеющегося тока, далее происходит преобразование в электромагнитное поле соответствующего переменного вида. В этом случае происходит комплексное изменение направления вектора электромагнитных характеристик волновых значений, причём, обязательно с высокой частотой принципа воздействия.

В конечном итоге происходит передача нужного уровня электроэнергии, без видимых условных потерь. КПД показателей данных индуктивности хватает на обогрев необходимой площади здания.

Примечательно, что данный эффект пользуется повышенным спросом во многих отраслях промышленности и индукционный нагреватель из сварочного инвертора для кузнечного дела и в металлургии является обыденным явлением в сегодняшних экономических реалиях.»

В дальнейшем общий принцип распределения получаемой энергии может иметь тривиальный характер. Так, вы можете передать энергию для разогрева жидкости в теплоносителе, или использовать для иных целей, где необходимо использовать повышенные температурные режимы эксплуатации. Расход энергии осуществляется в трубчатом теплоносителе, где происходит естественная циркуляция. Примечательно, что если индукционный нагреватель из сварочного инвертора не греет, то его можно использовать в качестве охладителя того же варианта отопительной системы.

Преимущественные характеристики индукционного нагревателя

Как видно, режим жёсткой экономии электроэнергии позволяет реализовать на практике интересные идеи как сделать индукционный нагреватель из сварочного инвертора, не прибегая к дорогостоящим вариантам. Основные технические и конструкционные достоинства системы:

Есть один существенный недостаток, для того, что собрать схему индукционного нагревателя из сварочного инвертора, потребуется вложиться в немаленькую сумму. Промышленные варианты стоят действительно дорого, но сэкономить вы можете только в том случае, если произведёте сборку конструкции согласно общим рекомендациям ведущих специалистов.

Электрическая схема индукционного нагревателя

Материалы, необходимые для самостоятельной сборки индукционного нагревателя

Теперь перейдём к самому главному, какие материалы необходимы для устройства индукционного нагревателя. В данном случае вам понадобятся:

• Инверторный комплекс, который мы используем в сварочном агрегате инверторного типа.
• Пластиковая основа корпуса, где будет собрана основная часть устройства с металлическими частями.
• Проволока стандартная из нержавейки, которая станет нагревательным элементом в действующем электромагнитном поле.
• Сетка металлическая с мелким ячеистым зерном, которая будет в процессе эксплуатации, удерживать внутри действующего прибора, куски из нержавеющей проволоки.
• Медный компонент проволоки, для удерживания индуктора.
• Для полдачи воды, подбираем эффективный циркуляционный насос общего принципа действия.
• Терморегулятор общего вида
• Переходные варианты кранов, или шаровые соединения, для подключения к основной системе отопления.
• Инструмент для обработки проволоки – кусачки.

Сборка и монтажные работы

После того, как вы подготовили необходимый минимум инструментов и оборудования для изготовления индукционного нагревателя, приступаем к непосредственному монтажу, который включает в себя следующие характеристики:

• В одном из доступном концах пластиковой трубы крепим металлическую сетку, которая предотвратить проваливание проволоки, в процессе режима нагрева.
• В этой же части торцевого соединения крепим переходник, который подсоединяется к отопительной системе общего принципа действия.
• При помощи слесарных стандартных кусачек нарезаем нержавеющую проволоку длиной от 1 до 6 см.
• Готовые части нарезанных кусков проволоки плотно и тщательно укладываем в трубу. Обратите внимание, не должно быть никакого свободного пространства внутри пластиковой трубы.
• На втором конце трубы также фиксируем сетку, и точно также устанавливаем второй переходник, который будет подключён к отопительному комплексу здания.
• Индуктор изготавливаем путём наматывания (накручивания обычным метолом) на металлическую трубу медной проволоки, причём общее количество витковых соединений на трубе должно быть в пределах 80-90 единиц.
• Используя общую схему подключения, подсоединяем медные обмотки к требуемым полюсам инвертора, встроенного в сварочное оборудование.
• Все компоненты электрической части индуктора и нагревателя тщательно изолируем специальными доступными средствами.
• Монтируем в отопительную систему циркуляционный насос, если такового варианта не было изначально.
• К инверторной части нагревателя подсоединяем терморегулятор, который будет служить принципом автоматизированного управления всей системы в целом.

Далее, мы осуществляем подключение инвертора, который будет на индукторе образовывать магнитное поле, провоцируемое появлением специальных вихревых потоков.

В данном случае потоки будут разгонять конструкцию индуктора до требуемого режима разогрева всей системы теплоносителя. Обязательно соблюдаем меры безопасности и аккуратно подсоединяем все задействованные узлы и компоненты для индукционного нагревателя общего и специального принципа действия.

Как сделать индукционный нагреватель из сварочного инвертора?

Индукционный нагрев – это высокотехнологичный процесс обработки электропроводящих материалов, в основе которого лежит воздействие высокотемпературное воздействие переменным электромагнитным полем проводника. Инвертор для индукционного нагрева может быть полезен во многих сферах металлообрабатывающей промышленности.

Сварочные работы, пайка металла, кузнечное дело, закалка, печи ТВЧ, термообработка – далеко не весь список работ, использующих индукционный нагрев. Технология отличается высокой скоростью работы и отличным показателем КПД. В случае необходимости всю технологическую цепочку можно автоматизировать.

Методы индукционного развития начали применяться в промышленности с начала ХХ века, однако толчком к развитию технологии послужила Вторая мировая война, которая вынудила ученых начать поиск дешевых и надежных способов обработки металла.

Принцип работы

Основная задача индуктора – использование тепловой энергии, которая образовывается под действием электрической энергии, индуцируемой переменным магнитным полем. Конструкция простейшего индуктора включает в себя всего три элемента:

• генератор переменного тока;
• катушка-индуктор;
• нагревательный элемент.

Катушка-индуктор, как правило, выполнена в виде медной катушки, внутрь которой помещают обрабатываемую заготовку. Когда через катушку проходит переменный ток, заготовка подвергается мощному температурному воздействию. В данном случае заготовка играет роль вторичной обмотки трансформатора, тогда как индуктор – первичной.

Электромагнитное поле создает в детали вихревые токи, которые имеют направление, обратное электрическому сопротивлению металла. Таким образом, тепловое воздействие на металл оказывается без непосредственного контакта между заготовкой и индуктором.

[stextbox количественная мера теплового действия электрического тока рассчитывается по закону Джоуля-Ленца, эффект индуктивного нагрева получил название «Закон Джоуля».[/stextbox]

Преимущества

Как было сказано выше, преимущества технологии индукционного нагрева обеспечили ее стремительное распространение. Общепризнанными достоинствами данного метода являются:

1. Производительность. Подготовку к запуску аппарата и нагрев детали можно выполнить за короткий промежуток времени. Данное обстоятельство повышает производительность выполняемых работ, по сравнению с прочими методами нагрева, которые требуют длительного времени на достижение рабочей температуры.
2. Качество. Промышленное применение характеризуется минимальным количеством брака. Эффект достигается благодаря направленному действию тепловой энергии. Для повышения качества готового изделия применяют специальные вакуумные камеры, которые исключают агрессивное воздействие атмосферного воздуха.
3. Энергетическая эффективность. Высокая скорость работы позволяет экономить электроэнергию – нагрев поверхности происходит практически мгновенно, что отражается на себестоимости продукции.
4. Автоматизация. Современное оборудование оснащают программно-вычислительными комплексами, которые позволяют добиться точных результатов работы.
5. Экологичность. Технологический процесс не несет угрозы окружающей среде – отсутствуют токсичные выбросы в атмосферу либо другие вредные факторы.

Сборка и монтаж системы

В первую очередь следует определиться с сферой использования будущего устройства. Требования к простому лабораторному инвертору для индукционного нагрева и прибору для обогрева домашнего помещения, будут отличаться.

Печь для металла

Среди прочих положительных качеств метода следует отметить высокий уровень пожарной безопасности, а также простоту конструкции – сборку индукционного нагревателя своими руками из сварочного инвертора может выполнить специалист средней квалификации, разумеется, при условии наличия рабочей схемы.

Конструкция индукционной печи не отличается особой сложностью. Для сборки устройства понадобятся:

• аккумулятор на 12 В;
• обмоточный медный провод;
• конденсаторы пленочного типа;
• диоды;
• полевые транзисторы;
• радиаторы;
• кольца блока питания ПК.

Данный список указывает, что изготовление устройства не потребует значительных финансовых растрат. Алгоритм сборки выглядит следующим образом:

1. Установка транзисторов на радиаторы охлаждения. В процессе эксплуатации устройство подвергается температурному воздействию, а потому следует использовать радиаторы большого размера.
2. Изготовление дросселей. Для этого понадобится медная проволока и кольца от блока питания ПК. Следите за межвитковым расстоянием – оно должно быть одинаковым.

[stextbox Кольца можно заменить любым изделием, в состав которого входит ферромагнитное железо.[/stextbox]

1. Сборка конденсаторной батареи. Общая емкость батареи, при последовательном соединении, должна составлять 4,7 мкФ.
2. Изготовление обмотки. Оптимальная толщина медной проволоки – 2 мм. Необходимо создать 8 витков таким образом, чтобы внутреннее пространство могло вместить в себя обрабатываемые элементы. Не забудьте про концы для подключения к источнику питания.
3. Подключаем аккумулятор.

Регулировку тока проводят на этапе сборки печи – путем изменения количества витков. Для серьезных работ потребуется источник питания большой мощности. Не забывайте про систему вентиляции и отвода тепла, поскольку в процессе эксплуатации печь разогревается достаточно сильно. Точное следование инструкции защитит от возможных переделок или доработок устройства

Нагреватель для воды

Установка такого оборудования в частном доме поможет решить проблему с обогревом помещения или обеспечением горячей водой. Не смотря на высокий расход электроэнергии, подобные аппараты пользуются популярностью, ввиду своей простоты и отсутствием хлопот с согласованием проекта.

Для сборки эффективного нагревателя необходимо приготовить следующие материалы:

• сварочный инвертор;
• керамзит или другой теплоизоляционный материал;
• медная проволока;
• стальная проволока;
• толстостенная пластиковая труба;
• трубки разного диаметра.

В основе действия устройства положен принцип индукционного нагрева теплоносителя.

Последовательность сборки котла следующая:

1. Изготовления котла. Для этого подбирают две трубки с разным диаметром, которые вставляются друг в друга, с зазором 20-25 мм. Размер трубок подбирается индивидуально, в зависимости от требуемой мощности нагревателя. Увеличение длины ведет к повышению мощности. Затем вырезаются два кольца, с соблюдением величины зазора между трубами. Полученный резервуар имеет тороидальную форму
2. Привариваем концы колец. Обращайте внимание на герметичность соединения.
3. Делаем подключение к системе отопления. В наружную стенку вваривают входную и выходную трубы. Обратите внимание, что вход должен располагаться сверху, а выход снизу. Трубы должны идти по касательной к корпусу. Их диаметр должен соответствовать используемой системе отопления.
4. Изготавливаем обмотку. Она должна повторять форму котла. Необходимо сделать 35-40 витков, с соблюдением равного межвиткового расстояния. Такое количество обеспечит достаточную производительность.
5. Делаем защитный корпус. Он должен быть выполнен из диэлектрического материала, например, пластика. Диаметр защитного корпуса должен обеспечивать боковой вывод патрубков. Пространство между котлом и защитным корпусом необходимо заполнить теплоизоляционным материалом, во избежание потерь тепла.
6. Подключаем инверторный аппарат и теплоноситель. Котел готов к эксплуатации.

Данная конструкция отличается автономностью. Она способная проработать 20-25 лет без постороннего вмешательства. Отсутствие подшипников и прочих подвижных элементов обеспечивают надежность устройства.

Несколько слов о безопасности

Индукционный нагреватель из сварочного инвертора, как и любое другое самодельное устройство, может представлять опасность для окружающих. Для обеспечения защиты необходимо соблюдать некоторые правила:

1. Тщательная изоляция. Все токопроводящие элементы и соединения должны быть заизолированы, во избежание поражения током.
2. Выбор системы отопления. Индукционный нагреватель запрещено использовать в отопительных системах с естественной циркуляцией воды. Применение допустимо только при наличии водяного насоса.
3. Грамотное расположение. Рекомендуемое расстояние до деталей интерьера и стен – не менее 40 см, а до пола или потолка – не менее 80 см.
4. Приборы безопасности. Регулировочный клапан и манометр защитят систему от перепадов давления. Также следует предусмотреть механизм стравливания воздуха из системы.

Заключение

Котлы и нагреватели индукционного типа отличаются высоким КПД, поскольку вся используемая электроэнергия преобразуется в тепло. Перед самостоятельным изготовлением какого-либо устройства настоятельно рекомендуем внимательно изучить схему и проанализировать условия работ. Это позволит избежать ошибок на стадии подготовки.

[stextbox 6-го разряда Пантелеев Сергей Борисович, опыт работы – 17 лет: «Для обогрева своего дома я выбрал совсем простую схему индукционного обогрева. Сначала выбрал участок трубы и зачистил его. Сделал изоляцию из электротехнической ткани и индукционную катушку из медной проволоки. После изоляции системы подключил инвертор. Единственный недостаток этой схемы – электромагнитное поле, которое неблагоприятно действует на организм. Поэтому аппарат пришлось ставить в котельной, где люди появляются редко».[/stextbox]

Похожие материалы: Загрузка…

Кухтецкий С.В. — Способы подстройки частоты лабораторного инвертора

Кухтецкий С.В. – Способы подстройки частоты лабораторного инвертора

В данной статье описана схема инвертора напряжения с мостовой топологией на базе генератора UC3825. Мощность инвертора составляет около 2 кВт продолжительной нагрузки. Устройство может применяться в различных лабораторных приложениях, в том числе и для индукционного нагрева металлов (без АПЧ). Вся конструкция инвертора состоит из двух блоков – блока управления и силового блока.

Рисунок 1 – Схема блока управления мостом

Принципиальная схема блока управления аналогична схеме из “Полумоста на UC3825”, с основным отличием в количестве линий управления ключами инвертора. Регулировка выходной мощности производится изменением длительности импульсов при помощи резистора R6. Регулировку схемы ограничения тока КЗ можно производить на готовом устройстве с использованием мощной активной нагрузки, при пониженном напряжении силовой цепи. В разрыв питания силовой цепи включается амперметр, подстроечник R13 устанавливается на минимум, подается пониженное питание. С изменением сопротивления подстроечника R13 должны меняться показания амперметра, он показывает ток, при котором будет действовать ограничение. Величина уставки устанавливается в зависимости от того, на какой максимальный ток рассчитаны транзисторы инвертора. Генератором в блоке управления является микросхема UC3825, которая имеет два выхода для управления ключами двухтактного преобразователя. Выходные каскады данной микросхемы способны управлять с приемлемым быстродействием полевыми транзисторами с небольшим зарядом затвора (Ciss), но не могут быть задействованы для управления силовыми ключами. У ключей инвертора, как правило, величина заряда затвора велика, поэтому для достижения достаточно короткого времени заряда затворов, на них необходимо подавать импульсы с пиками тока обычно не менее 2А. А если задействовано параллельное соединение нескольких транзисторов в качестве одного ключа, то требуются ещё более мощный драйвер. Поэтому применен драйвер на MOSFETах VT3/VT4. Применение полевых транзисторов IRF530 в драйвере с относительно малым зарядом затвора и с относительно малым сопротивлением открытого канала (Rds_on), позволяет добиться минимальных задержек импульсов, требуемой их мощности, при довольно малых потерях в транзисторах драйвера (нагреве). На вторичной стороне трансформатора GDT задействованы цепи разряда затвора, применение которых позволяет существенно сократить время разряда и несколько снизить нагрузку на драйвер. Транзистор (VT1, VT2, VT5, VT6) в цепи разряда запирается при следовании с обмотки GDT положительного импульса (относительно истока), и отпирается при снятии управляющего импульса за счет наличия на затворе положительного потенциала (пока он заряжен) и “подтяжки” базы к коллектору резистором 470 Ом. При необходимости дальнейшего сокращения длительности фронтов управляющих импульсов, возможно включение диодов параллельно затворным резисторам и применение схем разряда на полевых транзисторах. Но в данном случае схема дает приемлемые длительности фронтов. Резисторы по 1кОм параллельно затворам здесь применены не столько для ускорения разряда (с этим справляется схема разряда), сколько для защиты от сохранения заряда затвора при случайном обрыве цепей управления (применен разъем). На выходе плата генерирует четыре однополярных управляющих сигнила. Осциллограмма (Рис. 2 а) снята, с двух линий управления без подключенных ключей, на ней видны два сигнала и мертвое время. На осциллограмме (Рис. 2 б) изображен один из управляющих сигналов, непосредственно на ногах одного из силовых транзисторов. При тестировании драйверов с нагрузкой по 5.1Ом + 10нФ на каждый канал одновременно, длительности фронтов составляли не более 200нс. “Иглы” сразу после переднего фронта на затворах не превышают 15-16В и обусловлены применением GDT (индуктивности обмоток) и подавляются снижением сопротивления резисторов, параллельных вторичным обмоткам, но при этом будет возрастать средний ток питания драйвера. Т.к. затворы силовых транзисторов могут пробиться уже при напряжении 20В и выше, их желательно защищать TVS-диодами (например, P6KE18), хотя, иногда успешно применяются стабилитроны (например, КС515, КС518), как и сделано в данном устройстве.

Рисунок 2 – Осциллограммы управляющих сигналов (частота 140 кГц)

Рисунок 3 – Изображение платы управления

Driver_PCB_r1.lay (160 кб) – плата управления в формате SprintLayout

Рисунок 4 – Схема силового блока

В силовой блок входят сам инвертор, выпрямитель сетевого напряжения, трансформатор тока, схема питания кулера и индикации его перегрева. Транзисторы моста обвязаны стабилитронами, возвратными диодами и RC-снабберами. При закрытии ключей одного из плеч происходит быстрое изменение тока в нагрузке. Если нагрузка имеет индуктивный характер, то в моменты коммутации могут возникать индуктивные выбросы (ЭДС самоиндукции), амплитуда которых пропорциональна величине индуктивности и скорости изменения тока. Такие переходные процессы могут вывести ключи из строя. RC-снабберы рассеивают энергию коммутационных выбросов на резисторах. Супрессор VD8 защищает элементы силовой цепи от перенапряжений свыше 400В. Для охлаждения ключей моста использован кулер для CPU компьютера. В завершенном устройстве, перед подачей питания на мост, необходимо проверить формы управляющих сигналов непосредственно на затворах (см. Рис. 2 б). При стабильной работе длительность фронта/спада может быть порядка 200-250 нс, амплитуда импульсов 12-14 В, dead-time не менее 0,8 мкс (для IGBT оно было бы больше). Инвертор испытан на нагрузке в 2кВт. Для повышения мощности можно использовать более мощные транзисторы и лучшую систему охлаждения.

Рисунок 5 – Изображение силового блока

В качестве выходного контура использован последовательный LC-контур с согласующим трансформатором. Индуктор изготовлен из медной трубки диаметром 6 мм, имеет диаметр 42 мм, высоту 60 мм, количество витков – 7. Батарея конденсаторов набрана из 16 шт. CBB81 0,1мкФ*2000В, общая емкость составляет 1,6 мкФ. Согласующий трансформатор намотан на сердечнике из трех колец М2000НМ К45x28x8, имеет 25 витков первичной обмотки. Фактическая резонансная частота контура составляет 146 кГц.

Рисунок 6 – Схема выходного контура

При резонансе напряжений в идеальном последовательном LC-контуре, ток ограничивается только активным сопротивлением контура. Следовательно, если частота инвертора равна резонансной частоте контура, индуктор пустой (без нагрузки) и не принято никаких мер по избежанию работы в таком режиме, то инвертор будет работать практически на КЗ. Избежать такого режима можно несколькими способами. Один из них – постоянная работа с графитовым тиглем. Второй способ – включение с уже нагруженным индуктором (с заготовкой). При внесении заготовки в индуктор, меняется его индуктивность и резонансная частота контура. При внесении в индуктор ферромагнетиков (сталь, железо), резонансная частота сдвигается вниз, а при внесении диамагнетиков (медь) – частота сдигается вверх. Насколько сильно изменится частота, зависит от массы и материала заготовки (его магнитной проницаемости). Кроме того, резонансная частота меняется по мере нагрева заготовки, поскольку магнитные свойства материала зависят от его температуры. Мощность, передаваемая на нагрев заготовки максимальна только на резонансной частоте. Поэтому при фиксированной частоте генератора нельзя добиться полной отдачи мощности на нагрев при разных массах, материалах и при разных степенях нагрева заготовок. Есть несколько способов подстройки частоты генератора в резонанс с LC-контуром: Первый (канонический) – с помощью осциллографа, по отсутствию сдвига фаз между током в контуре напряжением на нем. Второй способ – поиск частоты, при которой амплитуда напряжения на L или C элементах контура достигает наибольших значений (форма напряжения при этом синусоидальная). На элементах контура амплитуда напряжения может во много раз превышать напряжение питания, поэтому указанную процедуру необходимо проводить при пониженном напряжении питания инвертора и с делителем напряжения. Третий и наиболее простой способ – отслеживание тока, потребляемого инвертором в процессе регулирования частоты генератора (R9). Частота, при которой потребляемый ток наибольший, является резонансной. Следующий график показывает приблизительную зависимость потребляемого контуром тока от частоты инвертора, со стальной заготовкой в индукторе, и без нее.

Рисунок 7 – Изменение резонансной кривой при внесении стальной заготовки

Фотоархив

Видео

Кухтецкий С.В. – Способы подстройки частоты лабораторного инвертора

Библиографическая ссылка на статью:
Матвеев С.Д., Черкасов М.М. Повышение эффективности электроводонагревательных устройств для отопления вспомогательных помещений на животноводческих фермах // Современная техника и технологии. 2017. № 5 [Электронный ресурс]. URL: http://technology.snauka.ru/2017/05/13344 (дата обращения: 07.02.2019).

Одним из перспективных и основных путей развития животноводства является путь индустриализации, концентрации и специализации производства. Данное развитие идет в направлении совершенствования технологических процессов и повышения общей культуры ведения животноводства. В этих условиях проблема энергосбережения в отраслях сельского хозяйства требует особого внимания [1]. Она наиболее актуальна для таких энергоемких устройств как электрические водонагреватели. Применяемые в настоящее время в сельскохозяйственном производстве электродные и элементные нагреватели жидкости обладают рядом существенных недостатков. Наиболее важными из них являются: повышенная опасность поражения людей и животных электрическим током (электродные нагреватели) и небольшой срок службы ТЭНов (элементные нагреватели) [2]. Элементные водонагреватели являются более безопасными и распространенными электронагревательными устройствами, поэтому рассмотрим особенности их эксплуатации подробнее.

Как известно, принцип работы таких устройств основан на тепловом действии тока при протекании его по проводнику с относительно большим удельным сопротивлением и последующей передаче выделившегося тепла от рабочего элемента теплоносителю. Такие устройства достаточно просты в конструктивном исполнении, надежны и неприхотливы в эксплуатации, не требуют дорогостоящего технического обслуживания. Однако в процессе работы часто происходит нарушение нормальных условий эксплуатации, вследствие чего эффективность работы ТЭНов водонагревательных приборов постепенно снижается, и они преждевременно выходят из строя. Такими нарушениями являются образование отложений на теплообменной поверхности нагревательного элемента, агрессивность среды теплоносителя, повышение напряжения питания ТЭНа. Например, первичная накипь, образующаяся на оболочках ТЭНов, в 3-5 раз уменьшает срок их службы. Особенно серьезные проблемы с первичной накипью возникают при непрерывном нагреве и кипячении жесткой проточной воды, когда скорость ее образования на оболочках ТЭНов достигает 0,2-0,4 мм в сутки, а срок их службы не превышает одного месяца [3]. Чаще всего, подобные условия эксплуатации приводят к перегреву нихромовой спирали ТЭНа, её быстрому разрушению и электрическому обрыву, что требует частой замены ТЭНов.

Продлить срок службы водонагревательного устройства можно несколькими способами. Например, периодической очисткой или заменой теплоносителя, для поддержания его физико-химических свойств на должном уровне, однако это не всегда эффективно, особенно если такое обслуживание требует остановки отопительной системы. Также можно регулировать напряжение питания ТЭНа, снижать его при достижении температуры теплоносителя определенного порога, а затем использовать ТЭН на неполной мощности. Но в этом случае потребуется дополнительная модернизация всей системы: установка температурных датчиков, регуляторов мощности и т. п., что не всегда возможно эффективно реализовать на определённой конструктивно законченной отопительной системе.

Предлагается применить в отопительной системе проточный нагревательный модуль со встроенным тепловым элементом, нагреваемым индукционным способом, посредством токов высокой частоты. Основными преимуществами такого нагрева являются возможность передачи электрической энергии бесконтактным способом и выделение тепла непосредственно в нагреваемом объекте. В результате чего использование электроэнергии оказывается более эффективным, а скорость нагрева рабочего элемента значительно увеличивается по сравнению с ТЭНами.

Для проведения предварительных испытаний, исследования рабочих характеристик и оценки эффективности отопительной системы такого типа предполагается построить испытательный макет. Его примерная блок-схема приведена на рисунке 1.

Рис. 1. Блок-схема макета отопительной системы с нагревателем индукционного типа. Цифрами обозначены: 1 –инвертор со встроенным амперметром, 2 – индуктор, 3 – нагревательный модуль, 4 – трубопровод с теплоносителем, 5 – радиатор отопления, 6 – циркуляционный насос, 7 – датчики температуры теплоносителя, 8 – блок управления инвертором.

Макет отопительной системы представляет собой замкнутый трубопроводный контур (4), в котором с помощью насоса (6) осуществляется циркуляция теплоносителя. Нагрев последнего происходит в нагревательном модуле (3), отвод тепла в окружающую среду обеспечивается радиатором (5). Контроль температуры теплоносителя осуществляется с помощью датчиков (7). Блок питания индуктора – инвертор (1) представляет собой мощный импульсный преобразователь частоты и служит для возбуждения высокочастотных колебаний в индукторе. По встроенному амперметру осуществляется контроль тока, потребляемого индуктором в различных режимах работы. Основой блока управления инвертором (8) является генератор импульсов с регулируемыми параметрами, позволяющий менять рабочие режимы инвертора в зависимости от поставленной экспериментальной задачи. Из литературы известны конструкции проточных водонагревателей, представляющие собой многослойный трубчатый змеевик, на который наложена тороидальная обмотка индуктора. Нагрев воды в них осуществляется при прохождении последней по змеевику. Однако их основным недостатком является большая удельная металлоемкость до 10 и более кг/кВт, значительное рассеяние магнитных потоков и, как следствие, большие потери тепла [4]. В предложенном макете отопительной системы используется иная конструкция нагревательного модуля (рисунок 2). Конструктивно он представляет собой диэлектрическую трубу (емкость), через которую циркулирует жидкий теплоноситель (вода, масло). Поверх трубы навивается индукционная катушка, а внутрь помещается система из металлических трубок (тепловых элементов), расположенных вдоль потока теплоносителя. Индукционная катушка при работе может достаточно сильно разогреваться, поэтому выполнена из тонкостенной медной трубки, через которую дополнительным маломощным насосом прокачивается охлаждающая жидкость.

Рис. 2. Конструкция нагревательного модуля. Цифрами обозначены: 1 – диэлектрическая трубка, 2 – тепловые элементы – металлические тонкостенные трубки, 3 – индуктор из медной трубки, 4 – вход холодного теплоносителя, 5 – выход нагретого теплоносителя.

Принцип действия индукционного нагрева заключается в преобразовании энергии электромагнитного поля, поглощаемой электропроводным нагреваемым объектом, в тепловую энергию [5, с. 150]. Через катушку индуктора пропускается переменный электрический ток, в результате чего вокруг неё создается изменяющееся во времени переменное электромагнитное поле. Электромагнитное поле наводит в находящихся внутри индуктора металлических трубках (тепловых элементах) вихревые токи (токи Фуко), которые и разогревают их под действием выделяющегося в проводнике джоулева тепла. Теплоноситель, омывая тепловые элементы, охлаждает их, при этом увеличивает свою температуру.

Подобная система «индуктор – тепловой элемент» представляет собой трансформатор без сердечника, где катушка индуктора является первичной, а тепловой элемент – вторичной обмоткой, замкнутой накоротко. Магнитный поток между обмотками замыкается по воздуху.

Питание индуктора осуществляется переменным током повышенной частоты, порядка 100 кГц. В этом случае вихревые токи, наводимые в тепловых элементах, вытесняются собственным магнитным полем в тонкие поверхностные слои металла, где их плотность достигает наибольшего значения, что ведет к интенсивному разогреву поверхности тепловых элементов. Более глубокие внутренние слои теплового элемента, где плотность вихревых токов на порядки меньше, прогреваются за счёт теплопроводности. Такое неоднородное распределение плотности высокочастотного переменного тока по сечению проводников является следствием проявления поверхностного эффекта или скин-эффекта [6, с. 24], представляющего собой явление затухания электромагнитных волн по мере проникновения их в проводящую среду. Глубина скин-слоя в основном зависит от частоты питающего тока и относительной магнитной проницаемости материала теплового элемента. При очень больших частотах ток практически существует только в тонком поверхностном слое проводника [7, с. 2]. Таким образом, увеличивая частоту тока, питающего индуктор, можно добиться увеличения плотности тока на поверхности тепловых элементов и тем самым поднять их рабочую температуру без значительного увеличения электрической мощности, потребляемой устройством. На рисунке 3 представлена примерная электрическая блок схема инвертора.

Рис. 3. Электрическая блок-схема инвертора.

Схема состоит из двух модулей – управляющего и силового. В состав модуля управления входит задающий генератор и схема ограничения потребляемого тока. Силовой модуль содержит выпрямитель, модуль силовых ключей и собственно нагрузку.

Схема функционирует следующим образом. Переменное сетевое напряжение выпрямляется и подается на накопительный конденсатор C_н, соединенный с модулем силовых ключей. Силовой модуль выполнен по классической полумостовой схеме и состоит из двух полупроводниковых ключей (К₁ и К₂) и конденсаторного делителя (C₁ и C₂). Нагрузка подключается к общим точкам соединения ключей и конденсаторам делителя[8, с. 251]. Задающий генератор в составе модуля управления формирует управляющие импульсы с заданной частотой и скважностью и попеременно открывает и закрывает силовые ключи. Таким образом, верхний (по схеме) вывод нагрузки подключается то к положительной, то к отрицательной шине питания. В результате на нагрузке формируется переменное напряжение с амплитудой равной половине напряжения питания. Нагрузка инвертора представляет собой колебательный LC контур, образованный индуктором L и блоком конденсаторов C_x и подключается к силовому модулю через согласующий трансформатор Tr[9]. Эквивалентная схема нагрузки приведена на рисунке 4.

Рис. 4. Схема нагрузки инвертора.

Эквивалент теплового элемента (обозначен пунктиром), нагреваемого вихревыми токами высокой частоты, изображен в виде последовательно соединенного витка катушки и резистора. Таким образом, подразумевается индуктивное и активное сопротивление нагреваемого материала.

Быстродействующая схема ограничения тока блокирует работу задающего генератора и закрывает оба силовых ключа при превышении установленного порогового значения тока, питающего индуктор.

Электрическая принципиальная схема силовой части инвертора представлена на рисунке 5. За её основу с минимальными изменениями взята схема от лабораторного инверторного индукционного нагревателя, предназначенного для плавки металлов. [10]. Управляющие импульсы от задающего генератора поступают на входы PDMC+ и PDMC− микросхемы оптической развязки IC1. Логический элемент D1 инвертирует сигнал после прохождения оптической развязки, а также формирует инверсный сигнал для управления нижним ключом VT2.

Рис.5. Принципиальная электрическая схема силового модуля инвертора.

Элемент D2 введён для формирования задержек (т. н. «мертвого времени»), для предотвращения сквозных токов через выходные силовые транзисторы. Длительность вышеупомянутых задержек определяется резисторами R3, R4 и конденсаторами C2, C3 и с указанными на схеме номиналами элементов составляет около 0,5 мкс. На рисунке 6 представлен примерный вид осциллограмм управляющих импульсов для транзисторов верхнего и нижнего плеча полумоста.

Рис.6. Осциллограммы управляющих импульсов для ключевых транзисторов.

В качестве драйвера ключей VT1, VT2 используется широко распространенная микросхема IR2110, включенная по стандартной схеме, приведенной в технической документации на эту микросхему. Силовая часть выполнена по полумостовой схеме с несимметричным включением нагрузки. В качестве силовых ключей применяются мощные IGBT-транзисторы со встроенными внутренними «сверхбыстрыми» диодами. Их обвязка является стандартной для подобных схем включения. Резисторы R5, R6 ограничивают максимальный ток заряда и разряда затвора, R7, R8 выполняют защитные функции. Конденсаторы C7, C8, C9, играют роль простейших ёмкостных снабберов и служат для устранения выбросов на ключах, вызванных паразитными индуктивностями цепей питания инвертора, а также индуктивным характером его нагрузки. Нагрузка подключается непосредственно к выходам Out+ и Out−.

На логических элементах D1.3, D1.4 и транзисторе T1 собрана схема быстродействующей токовой защиты, срабатывающей при превышении порогового значения тока, потребляемого силовой частью схемы. Порог срабатывания устанавливается резистором R14. После срабатывания защиты перевод схемы в рабочий режим производится кнопкой «Перегрузка – Сброс».

Постоянное напряжение HV+, HV− с амплитудой порядка 310В. формируется из сетевого однофазного напряжения выпрямительным диодным мостом KBPC3510 и сглаживается электролитическим конденсатором большой емкости C16. Напряжение +15В. необходимо для питания микросхемы драйвера ключей, и подается от отдельного источника питания с максимальным током нагрузки не менее 0,5 А. Из этого же напряжения с помощью линейного стабилизатора 7805 формируется напряжение 5В. для питания логических элементов, оптической развязки и схемы защиты.

В качестве задающего генератора возможно применение любого универсального генератора сигналов, способного формировать импульсы прямоугольной формы с частотой 30…150 кГц, скважностью ≥ 2 и амплитудой порядка 5В.

Максимальная потребляемая мощность данной индукционной водонагревательной системы составляет порядка 2 кВт. Предусматривается её регулировка, как с помощью изменения скважности импульсов на определенной фиксированной частоте, так и регулировкой частоты, для перехода в резонансный режим работы. Такой подход позволяет экспериментальным способом подобрать наилучший материал проводника для изготовления тепловых элементов и получить от них максимальную теплоотдачу.

Подобные индукционные водонагревательные устройства можно использовать в системах отопления не только как основной нагреватель, но и совместно с ТЭНами (работающими на пониженной мощности), в качестве дополнительного проточного подогревателя, доводящего температуру теплоносителя до установленного нормативами значения. Таким образом, снижается тепловая нагрузка на штатные ТЭНы и значительно продлевается срок их эксплуатации.

Библиографический список

1. Матвеев С. Д. Исследование и разработка коронно-разрядного озонатора для непрерывной дезинфекции яиц в инкубаторе – Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, 05.20.02., – ЧГАУ, 2009. – 108 с.
2. Русинов В. А. Разработка проточных индукционных нагревателей жидкости пониженной металлоемкости для сельскохозяйственного производства – Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, 05.20.02., – ЧГАУ, 2004. – 225 с.
3. Мордвинов Ю. А. Патент 2385552 C1. Тэн с защитой от первичной накипи/ Ю.А. Мордвинов, М.Ю. Мордвинов, Н.Ю. Силина.
4. Котов В.А. Патент RU 2400944. Вихревой индукционный нагреватель и устройство обогрева для помещения / В.А. Котов, А.В. Слободян. [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.findpatent.ru/patent/240/2400944.html
5. Егоров А.В. Электрические печи для производства сталей / А.В. Егоров, А.Ф. Моржин – М.: “Металлургия”, 1975 – 352 с.
6. Глуханов .Н.П. Физические основы высокочастотного нагрева / Н.П. Глуханов – М.: “Машиностроение”, 1965 – 80 с.
7. Буханов В.М. Скин эффект – Лабораторный практикум по общей физике (электричество и магнетизм) / В.М. Буханов, Т.М. Глушкова, А.В. Матюнин, А.М. Салецкий, Д.Э. Харабадзе – МГУ им. М.В.Ломоносова, физический факультет, кафедра общей физики – МГУ, 2011 – 12 с.
8. Семенов Б.Ю. Силовая электроника: от простого к сложному / Б.Ю. Семенов – М.: СОЛОН-Пресс, 2005. – 416 с.
9. Кухтецкий С.В. Простой лабораторный инвертор для индукционного нагрева [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.icct.ru/Practicality/Papers/30-03-2010/Invertor-01.php
10. Кухтецкий С.В. Простой лабораторный инвертор для индукционного нагрева. Часть 3. [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.icct.ru/sites/default/files/Invertor-07.pdf

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Кухтецкий С.В. – Способы подстройки частоты лабораторного инвертора

Модератор форума: Sam

Форум радиолюбителей » СХЕМЫ » ВЫСОКОЕ НАПРЯЖЕНИЕ » Индукционный нагреватель, взорвались MOSFETы. (Сборка индукционного нагревателя до 2кВт)

Индукционный нагреватель, взорвались MOSFETы.

Пн, 07.03.2016, 22:19 | Сообщение # 11

stalker68

Пн, 07.03.2016, 22:26 | Сообщение # 12

Fazotron

Пн, 07.03.2016, 22:57 | Сообщение # 13

Alex_Net stalker68, ВОТ-ВОТ. Сам грешу на это. У меня даже этот кондер и цепочка RC уже впаяны (на фотке сразу перед транзисторами). Но я решил, что она необходима, только при подключении самого колебательного контура, так как и указана на отдельной схеме. При этом лампочка, не такая уж и мощная (100Вт), казалось бы, что она может сделать этим транзисторам. Провод уже перепаял на конец всей цепочки, но тестировать все-равно буду теперь от 24V. Добавлено (07.03.2016, 22:57) ——————————————— Fazotron, эта и есть проверенная схема. И выложена она на сайте Института Химии научным сотрудником Кухтецким С.В. Как раз для того, чтобы мелкие лаборатории и “нуждающиеся”, могли собрать из дешевых компонентов лабораторный индукционный нагреватель, который в том числе и плавит несколько сотен грамм цветного металла. Вопрос в том, что у одних запускается без граблей, а у других “мелкие неприятности”, вот так и бегают по форумам, а потом “бах” и сама заработала.

Пн, 07.03.2016, 23:04 | Сообщение # 14

dsfas

Сб, 19.03.2016, 14:16 | Сообщение # 15

romuko122

Сб, 19.03.2016, 14:53 | Сообщение # 16

Pavel4126

Сб, 19.03.2016, 20:46 | Сообщение # 17

Alex_Net Pavel4126, да, с резисторами я уже понял, что 2Вт маленькие. С “dead time” как раз все нормально, как у Кухтецкого – 400-500нс. Я уже сам пожалел, что выбрал вариант с самоподстройкой частоты и PDM – она то как раз и не настраивается. Синяя линия: выходы с силового контура на переходной трансформатор Желтая: показания с трансформатора тока на компенсатор задержек PDM 20% Так вот эти иглы и сбивают всю настройку. Начинаешь добавлять мощности и частота слетает аж в раза 2. На графике творится ужас. На трансформатор тока намотал, где-то 4 витка, чтоб соответствовало реальному рабочему напряжению (310V), сейчас где-то 70. Т.е. компенсатор в принципе живой и что-то пытается настроить, по крайне мере с 54кГц перестраивается ближе к 60-ти. Как раз при этом видно, что следующий ключ попадает в резонанс с контуром. Вот откуда берутся иглы и как от них избавиться?!

Сб, 19.03.2016, 23:05 | Сообщение # 18

Pavel4126

Сб, 19.03.2016, 23:32 | Сообщение # 19

Alex_Net Pavel4126, так сейчас они уже и не греются, грелись только когда 310V подключал и лампу. Сейчас подключаю колебательный контур. Пробовал где-то при 150V (точно не знаю – набором лампочек подбирал) гаечный ключ нагревать, тоже вроде все нормально, но опять-же не могу всю мощность запустить. Думаю надо какой-нибудь высокочастотный фильтр на токовый трансформатор. Кстати проблема описана и в статье Кухтецкого, только у меня почему-то с этим дифференциальным трансформатором беда. Вот цитата из статьи (http://www.icct.ru/node/88): Дифференциальный трансформатор тока Здесь необходимо обсудить еще один нюанс. Сигнал положительной обратной связи, который мы будем подавать на вход компенсатора задержек, пропорционален току, текущему через нагрузку. Как правило, в качестве датчика тока используются трансформаторы тока. Обычно с ними нет никаких проблем, но для лабораторных задач инверторы должны иметь широкий диапазон регулировки мощности. Фактически от 0 до максимально возможного. А это уже создает определенные проблемы при малых уровнях мощности. Характерные высокочастотные наводки, совпадающие по времени с моментами переключения ключей, по амплитуде становятся сопоставимы с самим сигналом тока. Пример таких наводок можно посмотреть на рис.26 справа, где они выделены красным. Эти наводки могут приводить к сбоям ФАПЧ компенсатора задержек и в результате – к невозможности работы всей системы. Рис.26. Пример высокочастотных наводок на сигнале тока и схема дифференциального трансформатора тока. Характерные частоты этих наводок много выше рабочих частот инвертора и составляют десятки мегагерц. Поэтому они сравнительно просто отфильтровать. В данной работе для этой цели используется дифференциальный трансформатор тока, схема которого приведена на рис.26 справа. Вторичные обмотки мотаются бифилярно. Затем конец одной соединяется с началом другой и делается отвод. Высокочастотные наводки с двух вторичных обмоток взаимно компенсируются. Такой трансформатор позволяет существенно снизить уровень помех и повысить надежность работы АПЧ. Конец цитаты.

Вс, 20.03.2016, 18:11 | Сообщение # 20

Alex_Net Помойму нашел проблему “иголок” с дифференциальным трансформатором и сбоя в работе компенсатора задержек. Переходной транс, я делал разборный Ш-образный, на случай замены колебательного контура (под разные задачи). Так вот сделал его, аж из четырех половинок. При этом, стянут он у меня плохо. При включении инвертора, аж посвистывает. Собрал генератор на макетке, все работает – частота регулируется вручную Attiny2313. Настраиваю примерно под резонансную частоту. Как только подаю питание на нагрузку, генератор слетает, даже хуже чем компенсатор (вероятно кучка торчащих проводков). Короче, скорее всего, транс этот безумно фонит – микросхемы находящиеся рядом, просто перестают нормально функционировать. Причем я это заметил и на PDM-регуляторе (вылетает экран), там стоят аж две Attiny2313. А еще смешнее было с компом на этой неделе с экспериментами: вылетела мышка, отсоединил-присоединил USB – нихрена не работает перезагрузил комп – черный экран ( при этом инвертор и нагрузка были включены ) выключил инвертор – комп загрузился. Вот такие дела, даже не думал, что могут быть такие бешеные помехи. Лабораторный инвертор для индукционной плавки металлов Комментарии ( 62 ) valio 16 июля 2013, 19:19 ↑ ↓ valio 18 июля 2013, 00:37 ↑ ↓ zubb 16 июля 2013, 19:56 ↑ ↓ Satellite 16 июля 2013, 12:17 ↑ ↓ EW1UA 16 июля 2013, 16:25 ↑ ↓ antonluba 16 июля 2013, 16:36 ↑ ↓ EW1UA 17 июля 2013, 00:15 ↑ ↓ EW1UA 17 июля 2013, 00:38 ↑ ↓ EW1UA 17 июля 2013, 01:32 ↑ ↓ kalik 16 июля 2013, 15:48 ↑ ↓ bomond 16 июля 2013, 13:43 ↓ antonluba 16 июля 2013, 17:20 ↑ ↓ antonluba 16 июля 2013, 17:31 ↑ ↓ antonluba 16 июля 2013, 18:20 ↑ ↓ Vga 16 июля 2013, 17:53 ↑ ↓ Vga 16 июля 2013, 18:01 ↑ ↓ На досуге попробуйте подобрать пару транзисторов под эту задачу. Думаю, вы будете неприятно удивлены, как плохо сочетается более-менее нормальный импульсный ток, разумные размеры и короткое время восстановления. Это если говорить о биполярах. С полевиками ситуация еще хуже — их самих надо от сквозного тока защищать. Кстати, многие драйвера у TI имеют совмещенный выходной каскад — стоят и биполяры и полевики. Что, как бы, намекает, что все отнюдь не так просто, как кажется на первый взгляд. evsi 16 июля 2013, 18:34 ↑ ↓ evsi 16 июля 2013, 18:30 ↑ ↓ kalik 17 июля 2013, 00:32 ↑ ↓ evsi 17 июля 2013, 08:01 ↑ ↓ antonluba 17 июля 2013, 09:24 ↑ ↓ bomond 17 июля 2013, 10:27 ↑ ↓ evsi 17 июля 2013, 12:44 ↑ ↓ kalik 17 июля 2013, 11:20 ↑ ↓ bomond 17 июля 2013, 12:36 ↑ ↓ kalik 17 июля 2013, 15:59 ↑ ↓ zubb 17 июля 2013, 16:27 ↑ ↓ evsi 17 июля 2013, 21:04 ↑ ↓ kalik 17 июля 2013, 21:28 ↑ ↓ evsi 17 июля 2013, 21:58 ↑ ↓ zubb 17 июля 2013, 22:14 ↑ ↓ evsi 17 июля 2013, 22:19 ↑ ↓ для тех задач где она применяется (маломощные асинхронники, MOSFET/IGBT на 6..20А) большой ток и не нужен — емкость затвора небольшая, и частота ШИМа тоже — до 8..20 кГц. а в схемке из статьи, как уже выше писал, хватит и одной 2153, только выходы умощнить комплементарными парами NPN-PNP или NMOS/PMOS (см.аппноты IRF). zubb 17 июля 2013, 22:10 ↑ ↓ для тех задач где она применяется (маломощные асинхронники, MOSFET/IGBT на 6..20А) большой ток и не нужен — емкость затвора небольшая, и частота ШИМа тоже — до 8..20 кГц. Я предпочитаю оперировать зарядом затвора, а не емкостью (значение которой справедливо только для тех условий, в которых она замерялась). А полный заряд затвора бывает достаточно большим. Впрочем, даже если он маленький, а частота преобразования небольшая, это вовсе не повод не переключать его быстро. Фактически в жестком режиме переключения от драйвера напрямую зависят потери на ключах (см. ниже). а в схемке из статьи, как уже выше писал, хватит и одной 2153, только выходы умощнить комплементарными парами NPN-PNP или NMOS/PMOS (см.аппноты IRF). evsi 17 июля 2013, 23:08 ↑ ↓ порядка 4Вт потерь на каждом транзисторе Кухтецкий С.В. – Способы подстройки частоты лабораторного инвертора Главная Об Институте Адрес и схема проезда Администрация Диссертационный совет Ученый совет Совет молодых ученых Аспирантура Устав Института Научные направления Телефонный справочник История создания Института Подразделения Института Кадровый состав Института Лаборатории Персоналии Библиотека Научная деятельность Конференции Проекты Научные результаты Технологии Публикации и патенты Научная школа Научно-образовательный центр Интеграция с Высшей школой Научное сотрудничество Госзакупки Фото-архив Ссылки Экспериментатору Таблица элементов Настоящий раздел предназначен для сбора и публикации материалов, которые могуть быть полезны в повседневной лабораторной практике. К пополнению раздела приглашаются все желающие. С.В.КухтецкийВиртуальный USB-порт в лабораторной практике Подключение измерительного и контролирующего оборудования к компьютеру является неотъемлемым атрибутом любого современного физико-химического эксперимента. Виртуальный USB-порт – один из очень простых и эффективных способов решения такой задачи. В статье рассмотрены способы реализации таких портов на базе недорогих микроконтроллеров AVR, анализируются особенности аппаратного исполнения и программного обеспечения. Приводятся практические примеры решений нескольких типовых задач автоматизации эксперимента при помощи виртуальных USB-портов. В том числе – до сих пор еще актуальная задача замены бумажных самописцев в старых, морально устаревших, но еще функционирующих лабораторных приборах. Статья в формате pdf С.В.КухтецкийПростой лабораторный инвертор для индукционного нагрева. Часть 1. В статье подробно описана схема, конструкция и приведены советы по изготовлению лабораторного инвертора, предназначенного для индукционного нагрева и плавки. Инвертор может быть легко интегрирован в существующее оборудование лабораторных установок (трубчатые печи, прогреваемые трубопроводы, нагрев электропроводных тиглей и т.п.). Он может также использоваться автономно для закалки и плавки (в том числе – во взвешенном состоянии) небольших образцов металлов и сплавов (несколько грамм). Мощность инвертора регулируется от 0 до 2 кВт, диапазон рабочих частот – от 60 кГц до 300 кГц, питание – от сети 220В. Статья в формате pdf С.В.КухтецкийПростой лабораторный инвертор для индукционного нагрева. Часть 2. В статье продолжено рассмотрение простых «бюджетных» конструкций инверторов напряжения, предназначенных для самостоятельного изготовления и использования в практике физико-химической лаборатории. Инвертор представляет собой полный мост ключей на мощных МОП-транзисторах с «ручной» частотной регулировкой мощности. Диапазон рабочих частот 60-300 кГц. Предусмотрено два режима работы: непрерывный (десятки часов и более) на уровне 1-2 кВт и кратковременной (10-20 мин) – до 4 кВт. Питание от сети 220 В. Приведены подробное описание каждого узла, схемы, фотографии и результаты тестовых испытаний. Описанный инвертор предназначен для питания высокотемпературной трубчатой печи, но может быть полезен и для решения других задач, связанных с бесконтактным нагревом до высоких температур – плавка металла, получение небольших образцов сплавов в «электромагнитном тигле» (левитационная плавка) и т.п. Статья в формате pdf С.В.КухтецкийЦифровой модулятор плотности импульсов для регулирования мощности инвертора. В статье рассмотрены принцип действия, конструкция, программное обеспечение цифрового модулятора плотности импульсов и результаты его испытаний в качестве регулятора мощности инвертора напряжения. В применении к инвертору, работающему на резонансную нагрузку, такой способ модуляции обладает важным преимуществом: он дает возможность регулировать мощность инвертора без применения дополнительных силовых элементов, сохраняя «мягкий» режим переключения ключей во всем диапазоне регулирования мощности. Модулятор реализован всего на одной микросхеме (микроконтроллер ATtiny2313). Рабочая частота – до 300 кГц. Диапазон регулирования плотности импульсов (мощности) – от 0 до 100% с шагом 1%. Уровень модуляции устанавливается через последовательный интерфейс (USART) от внешней управляющей системы или от персонального компьютера. Статья в формате pdf Архив статьи С.В.КухтецкийСпособы подстройки частоты лабораторного инвертора. В статье рассмотрены способы регулировки частоты – еще одного важнейшего параметра, определяющего работу инвертора. Подробно проанализированы три класса решений задачи подстройки инвертора на резонансную частоту нагрузки: автономный генератор, автогенератор и ФАПЧ. Статья продолжает цикл публикаций, посвященных самодельным лабораторным инверторам, и ориентирована на экспериментаторов, которые не являются специалистами в силовой электронике, но хотели бы использовать инверторы в своей лабораторной практике (индукционный нагрев, источники питания электрических разрядов и ультразвуковых излучателей, и т.д.). Поэтому часть материала изложена в виде популярных физических демонстраций, а конкретные решения представлены в виде законченных практических схем со всеми сопутствующими материалами. Статья в формате pdf Архив статьи С.В.КухтецкийКоаксиальная криптоловая печь. Криптоловые печи, довольно широко применявшиеся в первой половине прошлого столетия, в настоящее время почти неизвестны экспериментаторам. Тем не менее, такие печи – очень простой, быстрый и эффективный способ получения высоких (1500-2000 градусов и выше) температур в лабораторных условиях, если по каким-то причинам нет возможности использовать современное специальное оборудование (индукционные, дуговые или другие высокотемпературные печи). В данной статье в очень краткой форме (фотографии с минимальными комментариями) показана конструкция и порядок сборки коаксиальной криптоловой печи. Особенность этой печи в том, что ток течет радиально, концентрируясь около центрального цилиндрического графитового электрода. Этот электрод выполняет и роль тигля. Внешний коаксиальный электрод большего диаметра изготовлен из стали и играет дополнительную роль – боковой стенки печи. Помимо замыкания тока, внешние слои криптола, примыкающие к внешнему электроду, служат теплоизоляцией. При достаточно большом отношении радиусов внешнего и внутреннего электродов перегревная неустойчивость не возникает, высокотемпературная зона окружает только внутренний электрод, и печь работает устойчиво. Статья в формате pdf С.В.КухтецкийЛабораторный инвертор с PDM-регулированием мощности. В статье описан вариант практической реализации лабораторного инвертора с полностью цифровым управлением. Для регулировки мощности используется цифровой модулятор плотности импульсов, а в качестве задающего генератора используется синтезатор частоты. Инвертор имеет следующие параметры: потребляемая мощность – до 2 кВт, диапазон частот – от 100 до 300 кГц с минимальным шагом 62.5 Гц, диапазон регулировки мощности – от 0 до 100% с минимальным шагом 1%. Схема управления реализована на трех микроконтроллерах. Для управления устройством используется «кнопочный» интерфейс с цифровой индикацией рабочей частоты и уровня модуляции (мощности). Все материалы, необходимые для самостоятельной реализации такого инвертора (схемы, печатные платы, готовые «прошивки» и исходные тексты), прилагаются. Статья в формате pdf Архив статьи С.В.КухтецкийПростой лабораторный инвертор для индукционного нагрева. Часть 3. Данная статья завершает цикл статей, посвященных недорогим модульным конструкциям лабораторных инверторов. На основе силового модуля, описанного в первом разделе данной статьи, и дополнительных модулей, описанных ранее, собрано несколько конструкций лабораторных инверторов, различающихся способом регулировки мощности и подстройки рабочей частоты инвертора (в том числе и автоматической). Каждый вариант представляет собой законченное устройство, которое может быть использовано для решения лабораторных задач, связанных с индукционным нагревом, генерацией неравновесной плазмы, ультразвука и т.п.. Как и в предыдущих статьях, приводится вся необходимая информация для самостоятельного изготовления модулей в непрофильной лаборатории: полные схемы, печатные платы, прошивки, исходные тексты программ, рекомендации по изготовлению и настройке. Статья в формате pdf Архив статьи 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». Я проведу вас по цепи: 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. 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. Оценка статьи: Загрузка… Сохранить себе в: Кухтецкий С.В. – Способы подстройки частоты лабораторного инвертора Ссылка на основную публикацию

Змеевики индукционного нагрева — компоненты индукционного нагрева

Элементы индукционного нагрева

Типичная система индукционного нагревателя включает источник питания, цепь согласования импеданса, цепь резервуара и аппликатор. Аппликатор, представляющий собой индукционную катушку, может быть частью цепи резервуара. Цепь резервуара обычно представляет собой параллельный набор конденсаторов и катушек индуктивности. Конденсатор и индуктор в цепи резервуара являются резервуарами электростатической энергии и электромагнитной энергии соответственно.На резонансной частоте конденсатор и катушка индуктивности начинают передавать накопленную энергию друг другу. В параллельной конфигурации это преобразование энергии происходит при большом токе. Большой ток через катушку способствует хорошей передаче энергии от индукционной катушки к заготовке.

Щелкните здесь, чтобы узнать , что такое индукционные катушки и как они работают, а также различные типы катушек .

а) Источник питания

Источники питания — одна из важнейших частей системы индукционного нагревателя.Обычно они оцениваются по диапазону рабочих частот и мощности. Существуют различные типы индукционных источников питания, которые включают источники сетевой частоты, умножители частоты, мотор-генераторы, преобразователи искрового разрядника и твердотельные инверторы. Твердотельные инверторы имеют наибольший КПД среди источников питания.

Типичный твердотельный инверторный источник питания состоит из двух основных частей; Выпрямитель и инвертор. Линейные переменные токи преобразуются в постоянный в выпрямительной секции с помощью диодов или тиристоров.Постоянный ток поступает в инвертор, где твердотельные переключатели, такие как IGBT или MOSFET, преобразуют его в ток, на этот раз с высокой частотой (обычно в диапазоне от 10 до 600 кГц). Согласно диаграмме ниже, IGBT могут работать на более высоком уровне мощности и более низкой частоте по сравнению с MOSFET, работающими на более низком уровне мощности и более высоких частотах.

b) Согласование импеданса

Источники питания для индукционного нагрева, как и любое другое электронное устройство, имеют максимальные значения напряжения и тока, которые нельзя превышать.Чтобы передать максимальную мощность от источника питания к нагрузке (заготовке), полное сопротивление источника питания и нагрузки должно быть как можно ближе. Таким образом, значения мощности, напряжения и тока могут одновременно достигать своих максимально допустимых пределов. Для этого в индукционных нагревателях используются схемы согласования импеданса. В зависимости от применения могут использоваться различные комбинации электрических элементов (например, трансформаторы, регулируемые катушки индуктивности, конденсаторы и т. Д.).

c) Резонансный резервуар

Резонансный бак в системе индукционного нагрева обычно представляет собой параллельный набор конденсатора и индуктора, который резонирует на определенной частоте.Частота получается по следующей формуле:

, где L — индуктивность индукционной катушки, а C — емкость. Согласно анимации ниже, явление резонанса очень похоже на то, что происходит в качающемся маятнике. В маятнике кинетическая и потенциальная энергии преобразуются друг в друга, пока он колеблется от одного конца к другому. Движение затухает из-за трения и других механических потерь. В резонансном резервуаре энергия, обеспечиваемая источником питания, колеблется между индуктором (в форме электромагнитной энергии) и конденсатором (в форме электростатической энергии).Энергия затухает из-за потерь в конденсаторе, катушке индуктивности и заготовке. Потери в заготовке в виде тепла желательны и предназначены для индукционного нагрева.

Сам резонансный бак состоит из конденсатора и индуктора. Блок конденсаторов используется для обеспечения необходимой емкости для достижения резонансной частоты, близкой к мощности источника питания. На низких частотах (ниже 10 кГц) используются масляные конденсаторы, а на более высоких частотах (более 10 кГц) используются керамические или твердые диэлектрические конденсаторы.

г) Индукторы индукционного нагревателя

Что такое индукционные катушки и как они работают?

Катушка индукционного нагрева представляет собой медную трубку особой формы или другой проводящий материал, через который пропускается переменный электрический ток, создавая переменное магнитное поле. Металлические части или другие проводящие материалы помещаются внутри, через катушку индукционного нагрева или рядом с ней, не касаясь катушки, и создаваемое переменное магнитное поле вызывает трение внутри металла, вызывая его нагрев.

Как работают индукционные катушки?

При проектировании катушки необходимо учитывать некоторые условия:

1. Для увеличения эффективности индукционных нагревателей расстояние между катушкой и заготовкой должно быть минимизировано. Эффективность связи между катушкой и заготовкой обратно пропорциональна квадратному корню из расстояния между ними.

2. Если деталь расположена в центре спиральной катушки, она будет лучше всего связана с магнитным полем.Если он смещен по центру, область заготовки, расположенная ближе к виткам, будет получать больше тепла. Этот эффект показан на рисунке ниже.

3. Кроме того, позиция рядом с соединением выводов и катушки имеет более слабую плотность магнитного потока, поэтому даже центр внутреннего диаметра спиральной катушки не является центром индукционного нагрева.

4. Следует избегать эффекта отмены (рисунок слева). Это происходит, когда раскрытие катушки очень мало. Добавление петли в катушку поможет обеспечить необходимую индуктивность (рисунок справа).Индуктивность индуктора определяет способность этого индуктора накапливать магнитную энергию. Индуктивность можно рассчитать по следующей формуле:

.

где ε — электродвижущая сила, а dI / dt — скорость изменения тока в катушке. Сам по себе ε равен скорости изменения магнитного потока в катушке (- dφ / dt), где магнитный поток φ может быть рассчитан из NBA, где N — количество витков, B — магнитное поле и A — площадь индуктор. Следовательно, индуктивность будет равна:

Очевидно, что величина индуктивности линейно пропорциональна площади индуктора.Следовательно, необходимо учитывать минимальное значение для контура индуктора, чтобы он мог накапливать магнитную энергию и передавать ее индукционной заготовке.

Эффективность катушки

КПД змеевика определяется следующим образом:

В таблице ниже показаны типичные значения КПД различных катушек:

Модификация змеевика по заявке

В некоторых случаях нагревательный объект не имеет однородного профиля, но требует равномерного нагрева.В этих случаях необходимо изменить поле магнитного потока. Для этого есть два типичных метода. Один из способов — разделить витки там, где деталь имеет большее поперечное сечение (при использовании спиральной катушки). Более распространенный метод — увеличить расстояние между обмотками в тех областях, где поперечное сечение детали больше. Оба метода показаны на рисунке ниже.

Такая же ситуация бывает при нагреве плоских поверхностей большими змеевиками. Центральная зона получит излишнее тепло.Чтобы избежать этого, зазор между поверхностью катушки и плоским предметом будет увеличен за счет придания катушке блина конической формы.

Змеевик с лайнером используется в приложениях, где требуется широкая и однородная зона нагрева, но мы не хотим использовать большие медные трубки. Лайнер представляет собой широкий лист, который прихваткой припаян к гибкой трубе как минимум в двух точках. Остальная часть стыка будет припаяна только для обеспечения максимальной теплопередачи. Также синусоидальный профиль поможет увеличить охлаждающую способность змеевика.Такая катушка изображена на рисунке ниже.

По мере увеличения длины нагрева необходимо увеличивать количество витков, чтобы сохранить равномерность нагрева.

Режим нагрева меняется в зависимости от изменения формы заготовки. Магнитный поток имеет тенденцию накапливаться на краях, порезах или вмятинах на поверхности нагреваемого объекта, вызывая тем самым более высокую скорость нагрева в этих областях. На рисунке ниже показан «краевой эффект», когда змеевик находится выше края нагревательного элемента, и в этой области происходит чрезмерный нагрев.Чтобы этого не произошло, катушку можно опустить ниже, ровно или немного ниже края.

Индукционный нагрев дисков также может вызвать чрезмерный нагрев кромок, как показано на рисунке ниже. Края нагреваются сильнее. Высота катушки может быть уменьшена, или концы катушки могут быть сделаны с большим радиусом для отделения от края заготовки.

Острые углы прямоугольных катушек могут вызвать более глубокий нагрев детали.Разделение углов катушки, с одной стороны, снизит скорость нагрева угла, но, с другой стороны, снизит общую эффективность индукционного процесса.

Одним из важных моментов, которые следует учитывать при проектировании многопозиционных катушек, является влияние соседних катушек друг на друга. Чтобы сохранить максимальную мощность нагрева каждой катушки, расстояние между центрами соседних катушек должно быть как минимум в 1,5 раза больше диаметра катушки.

Разделенные индукторы

используются в приложениях, где требуется тесная связь, а также невозможно извлечь деталь из катушки после процесса нагрева.Важным моментом здесь является то, что в месте соединения шарнирных поверхностей должен быть обеспечен очень хороший электрический контакт. Обычно для обеспечения наилучшего электрического контакта с поверхностью используется тонкий слой серебра. Разделенные части змеевиков будут охлаждаться с помощью гибкого водяного шланга. Автоматическое пневматическое сжатие часто используется для закрытия / открытия змеевика, а также для обеспечения необходимого давления в шарнирной области.

Типы нагревательных змеевиков

Катушка для блинов с двойной деформацией

В таких применениях, как нагрев наконечника валов, достижение однородности температуры может быть затруднено из-за эффекта компенсации в центре поверхности наконечника.Двойной деформированный змеевик для блинов с обработанными сторонами, подобный приведенной ниже схеме, можно использовать для достижения равномерного профиля нагрева. Следует обратить внимание на направление двух блинов, в которых центральные обмотки намотаны в одном направлении и имеют дополнительный магнитный эффект.

Катушка с разделением и возвратом

В таких применениях, как сварка узкой ленты на одной стороне длинного цилиндра, где относительно большая длина должна нагреваться значительно выше, чем другие области объекта, обратный путь тока будет иметь значение.При использовании катушки типа Split-Return большой ток, индуцируемый на пути сварки, будет разделен на две части, которые будут еще шире. Таким образом, скорость нагрева на сварочном пути как минимум в четыре раза выше, чем у остальных частей объекта.

Канальные катушки

Катушки канального типа используются, если время нагрева не очень короткое, а также требуются довольно низкие удельные мощности. Несколько нагревательных частей проходят через змеевик с постоянной скоростью и достигают максимальной температуры при выходе из машины.Концы катушки обычно согнуты, чтобы обеспечить путь для входа и выхода деталей из катушки. Там, где требуется обогрев профиля, можно использовать пластинчатые концентраторы с многооборотными канальными змеевиками.

Квадратная медная трубка

имеет два основных преимущества по сравнению с круглой трубкой: а) поскольку она имеет более плоскую поверхность, «смотрящую» на заготовку, она обеспечивает лучшую электромагнитную связь с нагревательной нагрузкой и б) конструктивно легче выполнять повороты. с квадратными трубками, а не с круглыми.

Конструкция выводов для индукционных катушек

Конструкция выводов: выводы являются частью индукционной катушки, и хотя они очень короткие, они имеют конечную индуктивность. В общем, на приведенной ниже схеме показана принципиальная электрическая схема тепловой станции системы индукционных агрегатов. C — резонансный конденсатор, установленный в тепловой станции, L_lead — это общая индуктивность выводов катушки, а L_coil — индуктивность индукционной катушки, связанной с нагревательной нагрузкой. V_total — это напряжение, подаваемое от индукционного источника питания на тепловую станцию, V_lead — это падение напряжения на индуктивности вывода, а V_coil — это напряжение, которое будет приложено к индукционной катушке.Общее напряжение — это сумма напряжения на выводах и индукционной катушке:

V_lead представляет собой величину общего напряжения, занятого выводами, и не оказывает никакого полезного индукционного воздействия. Задача дизайнера — минимизировать это значение. V_lead можно рассчитать как:

Из приведенных выше формул очевидно, что для минимизации значения V_lead индуктивность выводов должна быть в несколько раз меньше индуктивности индукционной катушки (L_lead≪L_coil).

Уменьшение индуктивности свинца: На низких частотах, обычно из-за использования катушек с высокой индуктивностью (многооборотные и / или с большим внутренним диаметром), L_lead намного меньше, чем L_coil. Однако, поскольку количество витков и общий размер катушки уменьшается для высокочастотных индукторов, становится важным применять специальные методы для минимизации индуктивности выводов. Ниже приведены два примера для этого.

Концентраторы потока: Когда магнитный материал помещается в окружающую среду, включая магнитные поля, из-за низкого магнитного сопротивления (сопротивления) они имеют тенденцию поглощать линии магнитного потока.Способность поглощать магнитное поле количественно оценивается относительной магнитной проницаемостью. Это значение для воздуха, меди и нержавеющей стали равно единице, но для мягкой стали может доходить до 400, а для железа — до 2000. Магнитные материалы могут сохранять свою магнитную способность до температуры Кюри, после чего их магнитная проницаемость падает до единицы и они больше не будут магнитными.

Концентратор потока — это материал с высокой проницаемостью и низкой электропроводностью, который предназначен для использования в конструкции катушек индукционного нагревателя для увеличения магнитного поля, приложенного к нагревающей нагрузке.На рисунке ниже показано, как размещение концентратора потока в центре блинной катушки будет концентрировать силовые линии магнитного поля на поверхности катушки. Таким образом, материалы, помещенные поверх змеевика для блинов, лучше соединятся и получат максимальный нагрев.

Влияние концентратора потока на плотность тока в индукционной катушке показано на рисунке ниже. Большая часть тока будет сосредоточена на поверхности, не покрытой концентратором флюса.Следовательно, змеевик может быть сконструирован таким образом, что только сторона змеевика, обращенная к нагревательной нагрузке, останется без материалов концентратора. В электромагнетизме это называется щелевым эффектом. Щелевой эффект значительно увеличит эффективность змеевика, и для нагрева потребуется более низкий уровень мощности.

Артикул:

• С. Зинн и С. Л. Семятин, «Элементы индукционного нагрева, проектирования, управления и приложений», A S M International, ISBN-13: 9780871703088, 1988

A Источник питания для индукционного нагрева 25 кВт, 25 кГц для системы MOVPE с использованием резонансного инвертора L-LC

Топология под названием резонансный инвертор L-LC (RI) для приложений индукционного нагрева (IH) обладает большинством достоинств традиционной серии и параллельные резонансные схемы, устраняя при этом их ограничения.В этой статье пересматривается анализ переменного тока на основной частоте L-LC RI, и предлагается новая рабочая точка с улучшенным коэффициентом усиления по току и почти синфазной работой по сравнению с традиционной рабочей точкой. Также описан приблизительный анализ схемы с источником прямоугольного напряжения, в котором подчеркивается влияние вспомогательной катушки индуктивности на форму волны тока источника. Анализ также приводит к оптимальному выбору вспомогательной индуктивности. Приведены требования к системе парофазной эпитаксии из металлоорганических соединений (MOVPE), в которой графитовый токоприемник должен быть нагрет до 1200 ° C, требующий источника питания IH 25 кВт, 25 кГц, конфигурация разработанной системы IH и результаты экспериментов. .

1. Введение

Индукционный нагрев (IH) [1] обычно используется для термической обработки металлов (закалка, отпуск и отжиг), нагрева перед деформацией (ковка, обжимка, осадка, гибка и прошивка), пайка и пайка, термоусадочная муфта, покрытие, плавление, выращивание кристаллов, герметизация крышек, спекание, осаждение из паров углерода, эпитаксиальное осаждение и генерация плазмы. IH — бесконтактный метод. Тепло выделяется только в части, а не в окружающей среде, за исключением излучения.Местоположение нагрева может быть определено в определенной области на металлическом компоненте, что позволяет получить точные и стабильные результаты. Поскольку нагрев происходит в самом объекте, IH считается более эффективным, чем альтернативные методы.

Система IH включает в себя базовый индукционный источник питания, который обеспечивает требуемую выходную мощность при требуемой частоте сети, в комплекте с соответствующими компонентами, узел индукционной катушки, метод обработки материалов и некоторый метод охлаждения. Как правило, полумостовые или полумостовые резонансные инверторы (RI) чаще всего используются в качестве источников питания для IH.Эквивалентная модель катушки IH с обрабатываемой деталью может быть представлена ​​в упрощенной форме эквивалентной индуктивностью () и сопротивлением (), как показано на рисунке 1. Если катушка IH питается напрямую от источника питания, отношение полной мощности к реальной будет большим. Следовательно, катушка IH должным образом компенсируется конденсаторами и дополнительными катушками индуктивности в подходящей конфигурации, так что от источника потребляется минимальная реактивная мощность. Кроме того, чтобы согласовать требования к напряжению-току нагрузки с доступным источником, требуется соответствующая сеть.Согласование обычно достигается с помощью изолирующего трансформатора с подходящим соотношением витков.

Основываясь на соединении компенсирующего конденсатора с катушкой IH, наиболее часто используются следующие две топологии RI. (1) Последовательный резонансный инвертор (SRI): компенсирующий конденсатор подключается последовательно с катушкой IH, и он питается от источника напряжения [2–6]. (2) Параллельный резонансный инвертор (PRI): компенсирующий конденсатор размещен параллельно катушке IH, и он питается от источника тока [7–11].

Анализ этих схем был проведен очень подробно, и сравнительная оценка также представлена ​​в литературе [12, 13].

Для приложений IH была предложена топология L-LC RI [14–21], которая использует большинство достоинств SRI и PRI, устраняя при этом их ограничения. Он работает с источником входного постоянного напряжения, тем самым устраняя громоздкую индуктивность, сглаживающую входной ток. Он обеспечивает высокий коэффициент усиления по току, что, в свою очередь, снижает номинальный ток вторичной обмотки согласующего трансформатора и фидера к катушке.

Металлоорганическая парофазная эпитаксия (MOVPE) [22] — это строго контролируемый метод осаждения полупроводниковых эпитаксиальных слоев и гетероструктур, необходимых для разработки нескольких оптоэлектронных и электронных устройств. Процесс MOVPE включает в себя парофазную реакцию между металлоорганическим соединением и газообразным гидридом, которые транспортируются к нагретому (около 1200 ° C) приемнику графита, что приводит к росту желаемого материала. IH — один из предпочтительных методов бесконтактного нагрева токоприемника.

Целью статьи является исследование характеристик L-LC RI для приложения, требующего источника питания IH 25 кВт, 25 кГц для нагрева графитового токоприемника до 1200 ° C в системе MOVPE для выращивания нитридных полупроводников, разрабатываемой в нашем институте. . Раздел 2 описывает анализ переменного тока L-LC CN и исследует различные характеристики, когда преобразователь работает на резонансной частоте. Предлагаемая рабочая точка отличается от ранее предложенной рабочей точки, которая обеспечивает повышенное усиление по току с меньшей вспомогательной индуктивностью и приводит к работе, близкой к синфазной.В разделе 3 описывается работа компенсирующей сети с высоким L-LC (CN) с источником прямоугольного напряжения, что приводит к оптимальному выбору вспомогательной катушки индуктивности. Требования, описание и конструкция практической системы обсуждаются в разделе 4. Экспериментальные результаты представлены в разделе 5.

2. Анализ L-LC CN

На рисунке 2 показан L-LC RI. Источником входного постоянного тока может быть нерегулируемый источник (полученный с однофазным или трехфазным диодным выпрямителем и фильтром) или может быть источник регулируемого напряжения (полученный с однофазным или трехфазным диодным / тиристорным выпрямителем и фильтром или другим передним выходом). концевой импульсный регулятор).В первом случае регулирование мощности, подаваемой на обрабатываемую деталь, должно выполняться на этапе RI с использованием изменения частоты [23, 24], широтно-импульсной модуляции с фиксированной частотой (PWM) [25–27] или модуляции плотности импульсов (PDM). ) [28, 29]. В последнем случае управление выходной мощностью может осуществляться путем изменения, что обеспечивает легкое управление выходной мощностью в широком диапазоне. Однако использование двух каскадных преобразователей снижает общую эффективность.

Следующий анализ, основанный на приближении основной частоты, исследует важные характеристики топологии L-LC.В эквивалентной схеме L-LC CN, показанной на рисунке 3, предполагается, что источником входного напряжения является источник синусоидального напряжения, действующее значение которого равно действующему значению основной составляющей прямоугольного возбуждения. Для анализа сделаны следующие определения.

Угловая резонансная частота:

Нормализованная рабочая частота: где — угловая рабочая частота, а — рабочая частота или частота переключения.

Характеристическое сопротивление:

Цепь:

Коэффициент индуктивности:

Выражение для нормализованного тока в катушке и нормализованного тока источника (или тока в катушке индуктивности) может быть соответственно получено как

Затем исследуются основные характеристики преобразователя, работающего в предлагаемой рабочей точке,, в результате чего получены следующие наблюдения:

Для ,

Также видно, что ток источника at является индуктивным для всех значений, а фазовый угол является функцией и.Если, ток источника всегда синфазен с напряжением.

На рис. 4 (а) показан график зависимости от для различных значений. Когда преобразователь работает при, считается, что он относительно нечувствителен, особенно при высоких значениях, — типичному рабочему условию в приложении IH.

На рисунке 4 (b) показан график зависимости от. Ток источника отстает от приложенного прямоугольного напряжения. Хотя этот запаздывающий ток полезен для переключения при нулевом напряжении (ZVS) полупроводниковых переключателей, можно ожидать, что более высокое значение приведет к более высокому току источника, вызывая большие потери проводимости в переключателях.Из графиков на рис. 4 (b) видно, что он мал для работы при, особенно для работы при высоком. Следовательно, ток источника и потери проводимости в переключателях будут меньше в этой рабочей точке.

Текущее усиление CN, определяется выражением который может быть дополнительно упрощен как На рис. 5 показан график зависимости от для и различных значений. Максимальный коэффициент усиления по току (равный) наблюдается для работы в предложенной рабочей точке.

Характеристики и конструкция L-LC RI для приложений IH, работающих в, широко описаны в литературе [15–21]. В этой рабочей точке Для, что меньше теоретического максимального значения, заданного формулой (12) в предлагаемой рабочей точке. Таким образом, как также показано на рисунке 5, предлагаемая рабочая точка L-LC RI приводит к усилению по току. Далее, выражение для в обычной рабочей точке может быть записано как Графики (14) в зависимости от показаны на рисунке 4 (b) для и.Можно видеть, что фазовый угол меньше в предлагаемой рабочей точке, чем в обычной рабочей точке, что приводит к меньшим потерям проводимости в переключателях.

3. Поведение L-LC CN с источником прямоугольного напряжения

Анализ, основанный на приближении основной частоты, представленный в Разделе 2, предполагает, что преобразователь при работе с максимальным коэффициентом усиления по току и малым фазовым углом между напряжением источника и током что приводит к низкой нагрузке реактивной мощности и низким потерям проводимости в полупроводниковых устройствах прямоугольного инвертора.Анализ, представленный в разделе 2, предполагает наличие источника синусоидального напряжения на входе. На практике входное напряжение представляет собой прямоугольную волну, генерируемую рабочими переключателями на Рисунке 2 при 50-процентном рабочем цикле. В этом разделе рассматривается поведение резонансного инвертора L-LC при работе с источником прямоугольного напряжения. Эквивалентная схема для L-LC RI для анализа с источником прямоугольного напряжения показана на рисунке 6 (а). Напряжение источника можно определить как можно разложить на его фундаментальную составляющую и гармоники как Из (15) и (16) где — период переключения.Таким образом, эквивалентная схема на Рисунке 6 (a) может быть перерисована как на Рисунке 6 (b), где разложена на и.

Эквивалентный импеданс () резонансного контура, и при определяется выражением Кроме того, для высокорезонансного контура в приложениях IH его можно приблизить к нулю для всех рабочих точек, кроме. При этом предположении эквивалентная схема для рисунка 6 (b) может быть отключена для работы на частотах гармоник и на них, как показано на рисунках 6 (c) и 6 (d), соответственно.Предполагая, что эквивалентную схему в можно дополнительно упростить, как показано на рисунке 6 (c). При таком упрощении схема может быть проанализирована на предмет основных частот и гармоник по отдельности, чтобы определить ток отдельного источника, а затем быть добавлена ​​для определения результирующего тока источника. Выражение для может быть получено как На рисунке 7 (а) показаны расчетные формы сигналов для работы схемы в условиях низкого уровня. Легко заметить, что, будучи обратно пропорциональным, значительно больше, чем для низких значений.Следовательно, результат также почти синусоидальный. При этом условии прогнозы анализа переменного тока (раздел 2) достаточно точны. Однако в высоких условиях, как показано на рисунке 7 (b), амплитуда намного меньше, чем. Следовательно, он почти такой же, как и в значительной степени несинусоидальный. При этом условии прогнозы раздела 2 имеют тенденцию быть ошибочными. Поскольку анализ раздела 2 не учитывает гармоники, фактические пиковые и среднеквадратичные значения, рассчитанные по (19), значительно больше, чем предсказанные по (9).Это приведет к ухудшению текущего усиления по сравнению с его значением, предсказанным (12). Однако амплитудой и среднеквадратичным значением можно управлять, выбирая надлежащее значение. На рисунке 7 (c) показана рассчитанная форма сигнала для различных значений when. Поскольку среднеквадратичное значение может быть уменьшено путем увеличения значения, снижение коэффициента усиления по току может быть в некоторой степени скорректировано путем выбора более высокого значения. На рис. 8 показаны графики зависимости коэффициента усиления по току от для различных значений.Для прямого сравнения также показан график текущего усиления, предсказанного (12). На рисунке также показано изменение коэффициента усиления по току в обычной рабочей точке, предсказанное формулой (13) для и. Замечено, что фактическое усиление тока в предлагаемой рабочей точке выше, чем в обычной рабочей точке.

Физический размер катушки индуктивности зависит от ее значения, пикового тока и среднеквадратичного значения тока. Поскольку пиковое и среднеквадратичное значение уменьшается с увеличением, интуитивно понятно, что физический размер будет сначала уменьшаться по мере увеличения, достигать минимума, а затем увеличиваться с дальнейшим увеличением.Чтобы получить значение минимального размера, следующий термин определяется как его нормализованный индекс размера: На рис. 9 показаны графики (20) для различных значений. Видно, что для высокопроизводительных приложений обычно должно быть 5 раз.

4. Описание системы

MOVPE — это строго контролируемый метод осаждения полупроводниковых эпитаксиальных слоев и гетероструктур, необходимых для разработки нескольких оптоэлектронных и электронных устройств.Процесс MOVPE включает в себя парофазную реакцию между металлоорганическим соединением и газообразным гидридом, которые транспортируются к нагретому (около 1200 ° C) приемнику графита, что приводит к росту желаемого материала. Для нагрева графитового токоприемника (диаметр 50 мм и длина 20 мм) до 1200 ° C в кварцевом реакторе диаметром 80 мм требуется источник питания.

4.1. Рабочая катушка и резонансный конденсатор

Хотя рекомендуемые методы проектирования катушек предполагают, что катушка должна быть как можно ближе к токоприемнику, а длина катушки должна быть больше, чем у токоприемника [1], физические размеры токоприемника и реактора вынуждают внутреннюю диаметр бухты 100 мм.Кроме того, поскольку душевая лейка из нержавеющей стали с соплами для подачи газов в реактор прикреплена к одному концу реактора, максимальная длина змеевика также ограничена 50 мм. Катушка состоит из полого медного проводника. Число витков, диаметр проводника и толщина его стенки оптимизированы с учетом различных параметров, таких как сопротивление катушки, потери мощности, электрический КПД, требуемый расход охлаждающей воды и падение давления. Разработанная катушка имеет 4 витка полого медного проводника с внешним диаметром 3/8 дюйма и толщиной стенки SWG 19.Сопротивление катушки оценивается в 11,3 мОм, а индуктивность катушки составляет 2,70 мк Н. Рабочая частота 25 кГц была зафиксирована для обеспечения равномерного нагрева токоприемника (толщина скин-слоя графита составляет почти 17 мм при 25 кГц). . Эквивалентное сопротивление заготовки оценивается в 16,6 мОм. Катушка рассчитана на максимальное действующее значение 1000 А.

В качестве резонансного конденсатора использовалась батарея из 6 конденсаторов с кондуктивным охлаждением по 3 мк Ф каждый. Эти конденсаторы установлены на холодной пластине, которая, в свою очередь, имеет водяное охлаждение.Однако для получения резонансной частоты 25 кГц используется всего 5 конденсаторов. Конденсаторная батарея находится очень близко к катушке, чтобы сократить путь циркуляции.

4.2. Силовая цепь

Принципиальная принципиальная схема силовой цепи показана на рисунке 10, который в общих чертах можно разделить на три части: входной трехфазный диодный выпрямитель с фильтром, преобразователь постоянного тока в постоянный и L-LC RI. . В дополнение к этому, фактическая силовая цепь также состоит из прерывателей, фильтра электромагнитных помех и цепи ограничения пускового тока в ступени выпрямителя.Однако для ясности они не показаны на рисунке 10.

Вход для источника питания — 415 В, 50 Гц, трехфазный переменный ток. Значения индуктивности фильтра () и конденсатора () во входной секции выпрямителя составляют 2,2 мГн и 3 мФ соответственно, что дает частоту отсечки 70 Гц.

В разделе 2 видно, что RI L-LC демонстрирует желаемое поведение только тогда, когда он работает на. Следовательно, изменение частоты переключения для управления выходной мощностью не допускается. Следовательно, могут использоваться методы управления с фиксированной частотой, такие как широтно-импульсная модуляция (ШИМ), или методы квантованного управления, такие как модуляция плотности импульсов.Однако операция мягкого переключения переключателей на этапе RI не может быть гарантирована во всем рабочем диапазоне, и методы квантованного управления, такие как PDM, приводят к дискретным выходным уровням, а также имеют ограниченный диапазон управления выходной мощностью. Если, с другой стороны, входное напряжение каскада RI контролируется, можно обеспечить контроль выходной мощности в более широком диапазоне и эксплуатационную гибкость. Недостатки этой схемы, а именно необходимость наличия промежуточной ступени преобразователя постоянного тока и снижение общей эффективности преобразования, принесены в жертву вышеупомянутым преимуществам.

Понижающий преобразователь постоянного тока выбран в качестве промежуточного каскада преобразователя постоянного тока. БТИЗ и диод составляют основную коммутационную ячейку. Пассивная демпферная цепь без потерь (состоящая из демпфирующей катушки индуктивности, конденсаторов, и диодов, и) используется для ограничения коммутационных потерь на этом этапе. Стоит отметить, что помимо тщательного выбора значений компонентов, описанного в [30], для эффективного демпфирования также важно уделять внимание нескольким практическим аспектам [31], таким как прямое восстановление демпфирующих диодов и паразитные индуктивности. действие.Катушка индуктивности, конденсаторы и резистор составляют высокочастотный фильтр нижних частот с демпфированием.

Два полумостовых модуля IGBT SKM100GB123D используются для реализации H-моста в секции инвертора, подающей прямоугольное напряжение на высокочастотный изолирующий трансформатор. Трансформатор с соотношением витков 1: 1 был разработан с использованием 7 пар сердечников EE80 с 7 витками первичной обмотки и 7 витками вторичной обмотки. В то время как первичная обмотка намотана из медной фольги, бескислородный полый медный провод с высокой проводимостью используется для вторичной обмотки с водяным охлаждением.Результаты на Рисунке 9 показывают, что дополнительная резонансная катушка индуктивности должна быть примерно в 5 раз больше для высокопроизводительной работы. Поэтому в настоящей системе выбран. Индуктивность рассеяния трансформатора оценивается в 5 мк 90 286 Гн. Дополнительная индуктивность 8,5 90 285 мк 90 286 Гн реализуется за счет пропускания витков вторичной обмотки вокруг вспомогательного сердечника с зазором (2 пары EE80) в соответствии с конфигурацией, предложенной в [32].

Конденсатор был включен последовательно с первичной обмоткой трансформатора (не показан на рисунке 10), чтобы предотвратить насыщение трансформатора в случае несимметричного возбуждения.В таблице 1 приведены значения компонентов и номера деталей полупроводниковых устройств, используемых в системе.

903 Компонент Значение / Номер детали 2,2 м вод. H 30 μ F 150 μ F 2.2 5 μ H 0,03 μ F 0,33 μ F F 15 μ F — VUO 82 — SKM100GAR123D — и — SKM100GB123D, два модуля

4.3. Схема управления

Входное постоянное напряжение прямоугольного инвертора регулируется для регулирования температуры токоприемника. Блок-схема всей системы управления также показана на рисунке 10. Планируется, что датчик температуры типа термопары и модуль ПИД-регулятора процесса будут использоваться для программирования и управления температурой токоприемника. Выход модуля ПИД-регулятора действует как эталон для внутреннего контура управления для управления входным постоянным напряжением, подаваемым на прямоугольный инвертор, путем управления скважностью понижающего преобразователя.Дополнительный контур управления фазой используется для поддержания состояния настройки ступени RI против медленного дрейфа резонансной частоты в течение различных рабочих условий и времени. Этот контур определяет фазу выходного тока инвертора с помощью фазового детектора PD. Выход контроллера управляет генератором, управляемым напряжением (ГУН), который регулирует частоту переключения инвертора таким образом, что выходной ток инвертора немного отстает от напряжения.

5. Результаты

Фотография разработанного источника питания индукционного нагрева, испытываемого в лаборатории на нагрев графитового сенсора, представлена ​​на рисунке 11.На вставке показан графитовый токоприемник, нагретый до 1200 ° С на воздухе.

Выходное напряжение инвертора, (кривая 1, 200 В / дел.) И формы волны тока,, (кривая 2, 25 А / дел.) Показаны на Рисунке 12 (а). Характер формы волны тока соответствует прогнозируемой форме волны, показанной на рисунке 7. Формы сигналов напряжения коллектор-эмиттер (кривая 1, 200 В / дел) и затвор-эмиттер (кривая 2, 10 В / дел) IGBT в H-мостовом инверторе во время переходов включения и выключения показаны на рисунках 12 (b) и 12 (c), соответственно, демонстрируя мягкое переключение.На рисунке 12 (d) показаны формы сигналов (кривая 1, 200 В / дел) и напряжения на рабочей катушке (кривая 2, 200 В / дел), показывающие, что только основная составляющая входного прямоугольного напряжения была передана на рабочая катушка.

6. Заключение

В документе сообщается о различных проблемах при разработке источника питания IH для приложения MOVPE с использованием L-LC RI. Пересмотрен анализ основной частоты переменного тока L-LC RI, и показано, что преобразователь демонстрирует повышенное усиление по току и коэффициент мощности, близкий к единице, при работе на резонансной частоте.Дальнейший анализ схемы с источником прямоугольного напряжения подчеркивает влияние вспомогательной катушки индуктивности на форму волны тока источника, что приводит к оптимальному выбору значения вспомогательной катушки индуктивности. Представлены требования к системе MOVPE, требующей источника питания IH 25 кВт, 25 кГц для нагрева графитового токоприемника до 1200 ° C, конфигурация разработанной системы IH и экспериментальные результаты, тем самым демонстрируя пригодность L-LC RI, работающего на своем резонансная частота для этого приложения.

(PDF) Разработка, изготовление и испытания двух различных лабораторных прототипов блоков индукционного нагрева на основе CSI

Комплект

работает на частоте около 8 кГц для данной заготовки

образцов (таблицы 2, 3).

Выводы

В этой статье сначала производится разработка лаборатории

прототипа управляемого IHU с питанием от CSI с двумя различными процедурами запуска типа

, а затем проводится сравнение производительности

тех же 2 кВт. , IHU 10 кГц при питании от CSI на базе IGBT

по сравнению с тиристоризованным CSI, было подробно представлено

.Производительность для IHU, когда

питается от двух вышеупомянутых преобразователей, была сначала смоделирована в

SEQUEL [15,16]. После этого два преобразователя

были изготовлены и испытаны под нагрузкой. В случае CSI

на основе SCR два метода запуска имеют свои относительные плюсы и минусы.

Традиционный метод

на основе вспомогательной схемы запуска страдает от необходимости в дополнительных схемах, но является надежным

и проверен временем. Другой аналогичен «гашению тока dc-link

», используемому в приводах синхронного двигателя

с питанием от CSI, и не требует дополнительных схем.Этот

хорошо работал с нынешней установкой. Управляющие импульсы

были сгенерированы платформой FPGA (Altera производит циклонный процессор

EPIC12Q240C [17]). Экспериментальные результаты

хорошо согласуются с модельными.

Преобразователь на базе IGBT имеет определенные эксплуатационные преимущества

, такие как возможность перехода на более высокую рабочую частоту

, более высокий КПД и т. Д., Хотя преобразователь на базе тирис-

более прочен.Фотографии лабораторных прототипов

показаны на рис. 9. Авторы стремятся разработать новую последовательную каскадную конфигурацию двух различных блоков

CSI IHU, работающих от одной линии постоянного тока. Ожидается, что настоящая экспериментальная работа

сформирует прочную основу и станет частью экспериментальной установки

для предлагаемой работы.

Благодарности Авторы выражают благодарность г-ну С. Б. Чанда,

, председателю совета директоров и управляющему директору Megatherm Electronics Pvt.Ltd.,

Калькутта и его коллеги г-н А. К. Колай и г-н Б. Рой

Чоудхари за материальную и финансовую поддержку при изготовлении индукционных нагревательных змеевиков

. Особо следует упомянуть профессора

В. Раманараянана за его технические обсуждения и мотивацию. Авторы

также выражают признательность Департаменту

EE, BESU, Шибпур, Ховрах за поддержку этой работы.

Список литературы

1. B.R. Pelly, Последние разработки в области статической высокочастотной энергии

источников для индукционного нагрева.IEEE Trans. Ind. Electron. Контроль

Instrum. 17 (4), 297–312 (1970)

2. N. Mohan, T.M. Унделанд, W.P. Роббинс, Силовая электроника

(Replika Press Pvt. Ltd., Нью-Дели, 2003)

3. М. Рой, М. Сенгупта, Сравнение методов запуска для блока индукционного нагрева

с тиристорным источником тока, питаемым от инвертора,

, в материалах Национальной конференции по силовой электронике —

ings, NPEC-2011 (BESU, Shibpur, 2011)

4.М. Рой, М. Сенгупта, Сравнение производительности между

на базе IGBT и тиристорным инвертором источника тока, питающим

2 кВт, 10 кГц индукционный нагревательный блок, в National Power Elec-

tronics Conference Proceedings, NPEC- 2011 (BESU, Shibpur,

2011)

5. М. Рой, М. Сенгупта, Управление самозапуска CSI

на основе ПЛИС, индукционный нагреватель мощностью 2 кВт,

, в National Power

Труды конференции по электронике , NPEC-2010 (ИИТ, Рурки,

2010)

6.E.J. Дэвис, П. Симпсон, Индукционный нагрев для промышленности. IEE

Пер. Электрон. Власть. 15, 508–515 (1979)

7. В. Руднев, Д. Лавлесс, Р. Кук, М. Блэк, Справочник по индукционному нагреву (Марсель Деккер, Нью-Йорк, 2003)

8. Э.Дж. Деде, Дж.В.Гонсилес, Дж. Линарес, Дж. Джордан, Д. Рамирес, П.

Руэда, Генератор 25 кВт / 50 кГц для индукционного нагрева. IEEE

Пер. Ind. Electron. 38 (3), 203–209 (1991)

9. С. Рой, М. Сенгупта, К.Мукерджи, Проектирование и испытание преобразователя мощности

для блока индукционного нагрева мощностью 2 кВт с реальной тепловой нагрузкой

, в Национальной конференции силовой электроники pro-

ceeding, NPEC-07 (IISc, Бангалор, 2007)

10. BK Bose, Силовая электроника и приводы переменного тока, 2-е изд. (Prentice-

Hall, Upper Saddle River, 1986)

11. K. Thorborg, Power Electronics (Prentice Hall, London, 1988)

12. M. Roy, Анализ конечных элементов, моделирование сиквелов, на основе FPGA

контроль и испытание самозапуска КСИ с питанием 2 кВт, 9.8 кГц

блок индукционного нагрева, диссертация по медицине, BESU, Шибпур, 2009

13. Р. Джульетта, Дж. Кампана, Ф. Ахумада, Ф. Сильва, К. Эстрада, Com-

Паративный анализ трех стартовых методов для параллельного резонансного источника

инверторный источник тока fuentes, на Международной конференции

Power Electronics, Machines and Drives (2010). DOI: 10.1049 /

cp.2010.0035

14. M.B. Патил, В. Раманараянан, В. Ранганатан, Моделирование силовых электронных схем

(Издательство Нароса, Нью-Дели,

2009)

15.С. Рой, Проектирование, изготовление и испытания на основе конечных элементов A

, однофазная индукционная печь с питанием от CSI, 2 кВт, 20 А, 10 кГц, для применения в нагреве прутков / заготовок

, дипломная работа ME, BESU, Шибпур,

2007

16. http://www.ee.iitb.ac.in/sequel/

17. http://www.altera.com/products/devkits/altera/kit-cyc3.html

J. Inst . Англ. India Ser. B

123

BMGINANT 2500W ZVS Индукционный нагреватель Индукционный нагрев печатной платы Машина для высокочастотного нагрева Расплавленный металл + змеевик + тигель + насос: Amazon.com: Industrial & Scientific

---

В настоящее время недоступен.
Мы не знаем, когда и появится ли этот товар в наличии.

• Убедитесь, что это подходит введя номер вашей модели.
• Нагревательная пластина изготовлена ​​из печатной платы военного класса 240 x 120 мм, и ее производительность стабильна.
• Линия электропередачи полностью покрыта медным покрытием, которое может увеличить ток и тепловыделение;
• Использование негабаритного и большого радиатора мощности улучшает рассеивание тепла
• На выходе используются три параллельно подключенных медных столбца M4, которые можно подключать к другим выходам, например к высоковольтным блокам.
• Шесть IRFP260 и 12 конденсаторов используются в параллельном резонансе, что обеспечивает высокую энергоэффективность.

]]>

---

Характеристики

Фирменное наименование	BMGINANT
Вес изделия	6.61 фунт
Материал	Медь
Количество позиций	1
Номер детали	2018111401
Код UNSPSC	32120000

---

Индукционный нагреватель для лабораторий и магазинов

В сообщении объясняется, как сделать небольшую самодельную цепь индукционного нагревателя для лабораторий и магазинов для выполнения небольших нагревательных работ, таких как плавление украшений или кипячение небольшого количества жидкостей с помощью электричества или батареи. автор: Mr.Суни и г-н Наим

1. Цели и требования к цепи
2. Наша задача состоит в том, чтобы создать индукционную цепь для использования от 12 В до 24 В с плоской спиралью, которая может за короткое время довести до кипения пол литра воды. насколько возможно.
3. Основная цель — заставить индукционную цепь работать, но есть и другие проблемы, которые описаны ниже.
4. Емкость, в которой должна кипеть вода, изготовлена ​​из нержавеющей стали с двойными стенками и изолирована, а расстояние между внешней и внутренней емкостью, в которой работает индукция, составляет около 5-7 мм.
5. Мы выбрали индукцию, чтобы защитить электронные компоненты от тепла обычного спирального нагревателя, что возможно, когда резервуар изолирован.
6. Внешний контейнер имеет диаметр Ø 70 мм, а пространство для электронных компонентов имеет высоту 20 мм, поэтому еще одна проблема — посмотреть, есть ли у нас место для компонентов.
7. К источнику питания подключен переключатель наклона, который отключает питание индукционной петли, если контейнер наклонен на 15 градусов или более.Когда питание индукционной цепи прерывается, включается звуковой зуммер.
8. Далее к индукционной петле подключаются два термостата. Один термостат, который отключает питание индукционной цепи, когда вода достигает точки кипения, и другой термостат, который поддерживает температуру воды около 60 градусов — не знаю, потребуется ли для этого программируемая схема. Я также хотел бы знать, есть ли в наличии инфракрасные термостаты.
9. Я знаю, что это сразу много, но, как уже упоминалось, основная цель — заставить индукционную цепь работать.Можно ли прислать нам список необходимых компонентов и схему схемы.
10. Будем рады услышать от вас!
11. С уважением, Суни Кристиансен
12. Привет, сэр, мне нужна электрическая схема индукционного нагревателя для нашего магазина, у нас есть магазин серебряных украшений
13. , поэтому я хочу расплавить серебро, а иногда и золото, но если вы отправите небольшую схему с бестрансформаторным источником питания, который будет будь добр ко мне.
14. Я видел в Интернете очень небольшой проект по индукционному нагревателю, но я не могу найти источник питания без тэнфомера, не могли бы вы мне помочь, если отправите и проект индукционного нагревателя, и его бестрансформаторный источник питания

The Design

В одном из предыдущих постов мы узнали базовый метод проектирования индивидуальной схемы индукционного нагревателя путем оптимизации резонанса цепи LC-резервуара, здесь мы собираемся применить ту же концепцию и посмотреть, как предложенная самодельная схема индукционного нагревателя может быть построена для использования в лабораториях и ювелирных магазинах.

На следующем рисунке показана стандартная конструкция индукционного нагревателя, которую пользователь может настроить в соответствии с его индивидуальными предпочтениями.

Принципиальная схема

Работа схемы

Вся схема сконфигурирована на популярной полномостовой ИС IRS2453, что действительно делает проектирование полномостовых инверторов чрезвычайно простым и надежным. Здесь мы используем эту ИС для создания цепи инвертора индукционного нагревателя постоянного тока в постоянный.

Как видно из конструкции, в ИС используется не более 4 N-канальных МОП-транзисторов для реализации полной топологии мостового инвертора, кроме того, ИС включает в себя встроенный генератор и сеть самонастройки, что обеспечивает чрезвычайно компактную конструкцию схемы инвертора. .

Частоту генератора можно регулировать, изменяя компоненты Ct и Rt.

Н-мост МОП-транзистора нагружен контуром LC-резервуара с использованием бифилярной катушки, которая образует индукционную рабочую катушку вместе с несколькими параллельными конденсаторами.

Микросхема также включает распиновку для отключения, которую можно использовать для отключения ИС и всей схемы в случае катастрофических обстоятельств.

Здесь мы использовали сеть ограничителя тока на транзисторе BC547 и сконфигурировали ее с выводом SD IC для обеспечения безопасной реализации схемы с управляемым током.Имея такую ​​компоновку, пользователь может свободно экспериментировать со схемой, не опасаясь сжечь силовые устройства во время различных операций оптимизации.

Как обсуждалось в одной из предыдущих статей, оптимизация резонанса рабочей катушки становится ключевым моментом для любой цепи индукционного нагревателя, и здесь мы также следим за точной настройкой частоты, чтобы обеспечить наиболее благоприятный резонанс для наших индукционный нагреватель LC-цепи.

Не имеет значения, имеет ли рабочая катушка форму спиральной бифилярной катушки или цилиндрической спиральной обмотки, до тех пор, пока резонанс правильно согласован, можно ожидать, что результат будет оптимальным для выбранной конструкции.

Как рассчитать резонансную частоту

Резонансную частоту для контура резервуара LC можно рассчитать по формуле:

F = 1/ 2π x √LC Где F — частота , L — индуктивность катушки (со вставленной магнитной нагрузкой), а C — конденсатор, подключенный параллельно катушке. Обязательно укажите значение L в Генри и C в Фараде . В качестве альтернативы вы также можете использовать это программное обеспечение для расчета резонанса для определения значений различных параметров в конструкции .

Значение F может быть выбрано произвольно, скажем, например, мы можем принять его равным 50 кГц, затем L можно определить, измерив индуктивность рабочей катушки, и, наконец, значение C может быть найдено с помощью формулы, приведенной выше. , или указанное программное обеспечение калькулятора.

При измерении индуктивности L убедитесь, что ферромагнитная нагрузка прикреплена к рабочей катушке, а конденсаторы отключены.

Выбор конденсатора

Поскольку предлагаемый индукционный нагреватель для лабораторных работ или плавления украшений может потреблять значительный ток, конденсатор должен быть рассчитан на работу с высокой частотой тока.

Чтобы решить эту проблему, нам, возможно, придется использовать несколько конденсаторов параллельно и убедиться, что конечное значение параллельной комбинации равно расчетному значению. Например, если рассчитанное значение составляет 0,1 мкФ, и если вы решили использовать 10 конденсаторов параллельно, тогда значение каждого конденсатора должно быть около 0,01 мкФ и так далее.

Выбор резистора ограничителя тока Rx

Rx можно просто рассчитать по формуле:

Rx = 0.7 / Макс. Ток

Здесь максимальный ток означает максимальный ток, который может быть допустим для рабочей катушки или нагрузки без повреждения МОП-транзисторов и для оптимального нагрева нагрузки.

Например, если оптимальный ток нагрева нагрузки определен как 10 ампер, то Rx может быть рассчитан и рассчитан для ограничения чего-либо, превышающего этот ток, и МОП-транзисторы должны быть выбраны для работы с током, превышающим 15 ампер.

Все это может потребовать некоторых экспериментов, и Rx можно сначала поддерживать на более высоком уровне, а затем постепенно снижать, пока не будет достигнута необходимая эффективность.

Охлаждение рабочей катушки.

Рабочий змеевик может быть построен с использованием полой латунной трубки или медной трубки и охлаждается путем прокачки через нее водопроводной воды, или, в качестве альтернативы, может быть использован охлаждающий вентилятор чуть ниже змеевика для отвода тепла от змеевика от теплообменника. обратный конец корпуса. Пользователь также может попробовать другие подходящие методы.

Источник питания

Блок питания, необходимый для описанного выше индукционного нагревателя для лабораторий и магазинов, может быть построен с использованием трансформатора 20 А, 12 В и выпрямления выходного сигнала с помощью мостового выпрямителя на 30 А и конденсатора 10 000 мкФ / 35 В.

Бестрансформаторный источник питания может не подходить для индукционного нагревателя, поскольку для этого потребуется схема SMPS на 20 А, что может быть чрезвычайно дорогостоящим.

Стеклянные янтарные лабораторные флаконы по 10 мл с тефлоновой перегородкой для хроматографии

Геотекстиль из полипропилена / сельское хозяйство / ткань из полипропилена / полиэтилена

Пряжка из нержавеющей стали для кабельных зажимов / фитингов ADSS с чугунным сухим оцинкованным квадратным сечением, ход 0 мм для вместимость 1994 куб.ERW Машина для производства труб для высокочастотной сваркиДешевые цены Современные смесители для кухни из латуни / краны из сэндвич-панелей из пенополистирола / полистирола для кровли и стен в положении на девять часов.

Керамический шар для водоочистки с сертифицированной Awwa StandardCe пленкой для термоформования Вакуумная упаковка / упаковочная машина Утверждение CE Кафе Магазин 1,5 метра витрина для мороженого / холодильник повышенной жесткости.

Патч-панель Cat5e 19 с сертификатом SGS

Ламинированные полы Полы из ПВХ с сухой спиной 2 мм / пластиковый листовой поток Охлаждение и ремень — Чугунная предварительно подготовленная сковорода (SOHC) Детали двигателя Volvo D7e Впускной / выпускной клапан / седло клапана / направляющая клапана.Углеродистая сталь ASTM A53 Бесшовные, лазерная трубка Высокое качество Длинная гарантия 80 Вт / 100 Вт / 120 Вт / 130 Вт / 150 Вт / 180 Вт PS Пена для пищевых контейнеров Одноразовая машина для производства тарелок Mt105 / 120 Формиат кальция Cafo 98% Утверждено для кормов Fami-QS SGS ISO FDA single ремень с круглым профилем зубьев для бесшумной работы изготовлен из износостойкого двойного полотна и термостойкой резины материалы с проволочным сердечником. Кроме того, ремень ГРМ имел автоматический натяжитель, который учитывал тепловое расширение и сжатие.

Это понял, что прокладка головки для состава сварной проволочной сетки здания / сварной сетки / стальной сетки / арматурной сетки с металлическим крючком сердечником, в то время как уплотнительные кольца использовались для герметизации масляные каналы. Для улучшения герметизирующих характеристик вся поверхность прокладки был покрыт силиконом.

Кодированная карта-ключ RFID для гостиниц из ПВХ с магнитом Hico 2750OE / 4000OE, стеклянные янтарные лабораторные флаконы объемом 10 мл с тефлоновой перегородкой для хроматографии Строительный материал Акриловая пластина / лист плексигласа из плексигласа «Сиамезированный» литиевый аккумулятор Lipo 783450 Литий-полимерный для автомобильного регистратора.

Строительные материалы Пенопласт ПВХ

Держатель зуба ковша № 60116435K запасных частей Sany Excavators. En12195-2 2 Двойной крючок с храповым механизмом J, фиксирующий ремень Люэровский замок 5 мл, мини 60 кг 100 фунтов Электронный магнитный замок / электромагнитный замок Строительство здания Материалы Пенопласт ПВХ. Полипептид Ghrp-6 / Ghrp6 человека бодибилдинга полипептид человеческого гормона Ghrp-6 / Ghrp6 дополняет несущую поверхность всевозможного увеличения вакуума груди / оборудования красоты королевы груди.

Биологический пестицид Эмамектин Бензоат 5% Wdg Индивидуальная упаковка Шредер для всей шины Циндао / Машина для переработки использованных шин для продажи.Кроме того, производитель качественных светодиодных ламп 5W / 7W / 9W / 12W из алюминия PBT, производитель пластикового тканого мешка, вязальных машин / регуляторов оборудования (HLAs). Лучшая беспроводная стоматологическая светодиодная лампа для отверждения / лампа стабильное давление масла для гидравлических регуляторов зазора.

Принадлежности для электрических туалетов Ручная сушилка

Линия по переработке хлопьев ПП / ПЭ / ПК / ПЭТ для гранулирования пластика с уменьшенной высотой сверления №1 Самосверлящий винт для карнизов; диоксид титана TiO2 Цена за кг / титан для труб из ПВХ- 3-2-4.Кроме того, стеклянные янтарные лабораторные флаконы объемом 10 мл с тефлоновой перегородкой для хроматографии Автоматическая многополосная упаковочная машина для запайки пакетов. 7: 1.
Article byDecorating Beauty Bath Glass Mirror со светодиодной подсветкой

LS0010_COver2c.QXD: 0543T.QXD

% PDF-1.6 % 1422 0 объект > / Outlines 1476 0 R / Metadata 13632 0 R / AcroForm 1424 0 R / Pages 1317 0 R / PageLayout / SinglePage / OpenAction 1423 0 R / StructTreeRoot 1277 0 R / Type / Catalog / PageLabels 1314 0 R >> эндобдж 1425 0 объект > эндобдж 1476 0 объект > эндобдж 13632 0 объект > поток 2008-12-31T12: 10: 07-07: 002008-12-01T18: 34: 04-07: 002008-12-31T12: 10: 07-07: 00Adobe Acrobat 8.1 Приложение «Объединить файлы» / pdf

LS0010_COver2c.QXD: 0543T.QXD

Джеймс Хили

uuid: 5ec8ef9a-4ebe-4053-9cdc-72b586c21750 uuid: 6dfb14d5-6fd9-0444-b3bd-215a7dd11d38 Adobe Acrobat 8.1 конечный поток эндобдж 1424 0 объект > / Кодировка >>>>> эндобдж 1317 0 объект > эндобдж 1423 0 объект > эндобдж 1277 0 объект > эндобдж 1314 0 объект > эндобдж 1315 0 объект > эндобдж 7619 0 объект > эндобдж 1483 0 объект > эндобдж 1278 0 объект > эндобдж 1279 0 объект > эндобдж 1310 0 объект [1589 0 R] эндобдж 1589 0 объект > эндобдж 1485 0 объект > эндобдж 1426 0 объект > эндобдж 1320 0 объект > эндобдж 1429 0 объект > поток HUj @} Q * xw! Ihi] uˍƿYIscVΙ! 8 :: R`! HA`Llc 티 HcuhKCp @ ڣ «xH ) h @ ;; 6 * nbϢ6-nB & @ 6s% xa`-DBΣ & @> ^ d’2W: L כ *> -:> W5

.