Индукционный нагрев схема: Индукционный нагреватель большой мощности схема. Как сделать высокочастотный индукционный нагреватель своими руками – схема простого индуктивного горна для нагрева металла электричеством. Простейший индукционный нагреватель своими руками

Индукционный нагреватель металла своими руками

Когда перед человеком встает необходимость нагреть металлический объект, ему на ум обязательно приходит огонь. Огонь – старомодный, неэффективный и медленный способ нагреть металл. Он тратит львиную долю энергии на тепло, и от огня всегда идет дым. Как было бы здорово, если бы всех этих проблем можно было избежать.

Сегодня я покажу вам как собрать индукционный нагреватель своими руками с ZVS-драйвером. Это приспособление нагревает большинство металлов с помощью ZVS-драйвера и силы электромагнетизма. Такой нагреватель высокоэффективен, не производит дыма, а нагрев таких небольших металлических изделий, как, допустим, скрепка — вопрос нескольких секунд. Видео демонстрирует нагреватель в действии, но инструкция там представлена другая.

Шаг 1: Принцип работы

Многие из вас сейчас задаются вопросом – что такое этот ZVS-драйвер? Это высокоэффективный трансформатор, способный создавать мощное электромагнитное поле, нагревающее металл, основа нашего нагревателя. 2*R.

Очень важен металл, из которого состоит объект, который вы хотите нагреть. У сплавов на основе железа более высокая магнитная проницаемость, они могут использовать больше энергии магнитного поля. Из-за этого они быстрее нагреваются. Алюминий имеет низкую магнитную проницаемость и нагревается, соответственно, дольше. А предметы с высоким сопротивлением и низкой магнитной проницаемостью, например, палец, вообще не нагреются. Сопротивление материала очень важно. Чем выше сопротивление, тем слабее ток пройдет по материалу, и тем, соответственно, меньше выделится тепла. Чем ниже сопротивление, тем сильнее будет ток, и согласно закону Ома, меньше потеря напряжения. Это немного сложно, но из-за связи между сопротивлением и выдачей мощности, максимальная выдача мощности достигается, когда сопротивление равно 0.

Трансформатор ZVS самая сложная часть прибора, я объясню, как он работает. Когда ток включен, он идет через два индукционных дросселя к обоим концам спирали. Дроссели нужны, чтобы убедиться, что устройство не выдаст слишком сильный ток. Далее ток идет через 2 резистора 470 Ом на затворы МДП-транзисторов.

Из-за того, что идеальных компонентов не существует, один транзистор будет включаться раньше, чем другой. Когда это происходит, он принимает на себя весь входящий ток со второго транзистора. Он также будет коротить второй на землю. Из-за этого не только ток потечет через катушку в землю, но и через быстрый диод будет разряжаться затвор второго транзистора, тем самым блокируя его. Из-за того, что параллельно катушке подключен конденсатор, создается колебательный контур. Из-за возникшего резонанса, ток поменяет свое направление, напряжение упадет до 0В. В этот момент затвор первого транзистора разряжается через диод на затвор второго транзистора, блокируя его. Этот цикл повторяется тысячи раз за секунду.

Резистор 10К призван уменьшить избыточный заряд затвора транзистора, действуя как конденсатор, а зенеровский диод должен сохранять напряжение на затворах транзисторов 12В или ниже, чтобы они не взорвались. Этот трансформатор высокочастотный преобразователь напряжения позволяет нагреваться металлическим объектам.
Пришло время собрать нагреватель.

Шаг 2: Материалы

Для сборки нагревателя материалов нужно немного, и большую их часть, к счастью, можно найти бесплатно. Если вы видели где-то валяющуюся просто так электронно-лучевую трубку, сходите и заберите ее. В ней есть большая часть нужных для нагревателя деталей. Если вы хотите более качественных деталей, купите их в магазине электрозапчастей.

Вам понадобятся:

• Полевые МДП-транзисторы IRFP260
• Быстрые диоды
• Зенеровские диоды на 12В (стабилитроны на 12В)
• Резисторы 220Ом
• Резисторы 10К
• 10 конденсаторов 0,047 мкФ
• 2 дросселя 50 мкгн
• Медная проволока
• Деревянный брусок
• 2 свинцово-кислотных аккумулятора

Шаг 3: Инструменты

Для этого проекта вам понадобятся:

• Паяльник
• Кусачки для проволоки
• Мультиметр

Шаг 4: Охлаждение полевых транзисторов

В этом приборе транзисторы выключаются при напряжении 0 В, и нагреваются не очень сильно. Но если вы хотите, чтобы нагреватель работал дольше одной минуты, вам нужно отводить тепло от транзисторов. Я сделал обоим транзисторам один общий поглотитель тепла. Убедитесь, что металлические затворы не касаются поглотителя, иначе МДП-транзисторы закоротит и они взорвутся. Я использовал компьютерный теплоотвод, и на нем уже была полоса силиконового герметика. Чтобы проверить изоляцию, коснитесь мультиметром средней ножки каждого МДП-транзистора (затвора), если мультиметр запищал, то транзисторы не изолированы.

Шаг 5: Конденсаторная батарея

Конденсаторы очень сильно нагреваются из-за тока, постоянно проходящего через них. Нашему нагревателю нужна емкость конденсатора 0,47 мкФ. Поэтому нам нужно объединить все конденсаторы в блок, таким образом, мы получим требуемую емкость, а площадь рассеивания тепла увеличится. Номинальное напряжение конденсаторов должно быть выше 400 В, чтобы учесть пики индуктивного напряжения в резонансном контуре. Я сделал два кольца из медной проволоки, к которым припаял 10 конденсаторов 0,047 мкФ параллельно друг другу. Таким образом, я получил конденсаторную батарею совокупной емкостью 0,47 мкФ с отличным воздушным охлаждением. Я установлю ее параллельно рабочей спирали.

Шаг 6: Рабочая спираль

Это та часть прибора, в которой создается магнитное поле. Спираль сделана из медной проволоки – очень важно, чтобы была использована именно медь. Сначала я использовал для нагревания стальную спираль, и прибор работал не очень хорошо. Без рабочей нагрузки он потреблял 14 А! Для сравнения, после замены спирали на медную, прибор стал потреблять только 3 А. Я думаю, что в стальной спирали возникали вихревые токи из-за содержания железа, и она тоже подвергалась индукционному нагреву. Не уверен, что причина именно в этом, но это объяснение кажется мне наиболее логичным.

Для спирали возьмите медную проволоку большого сечения и сделайте 9 витков на отрезке ПВХ-трубы.

Шаг 7: Сборка цепи

Я сделал очень много проб и совершил много ошибок, пока правильно собрал цепь. Больше всего трудностей было с источником питания и со спиралью. Я взял 55А 12В импульсный блок питания. Я думаю, этот блок питания дал слишком высокий начальный ток на ZVS-драйвер, из-за чего взорвались МДП-транзисторы. Возможно, это исправили бы дополнительные индукторы, но я решил просто заменить блок питания на свинцово-кислотные аккумуляторы.

Потом я мучился с катушкой. Как я уже говорил, стальная катушка не подходила. Из-за высокого потребления тока стальной спиралью взорвались еще несколько транзисторов. В общей сложности у меня взорвались 6 транзисторов. Что ж, на ошибках учатся.

Я переделывал нагреватель множество раз, но здесь я расскажу, как собрал его самую удачную версию.

Шаг 8: Собираем прибор

Чтобы собрать ZVS-драйвер, вам нужно следовать приложенной схеме. Сначала я взял зенеровский диод и соединил с 10К резистором. Эту пару деталей можно сразу припаять между стоком и истоком МДП-транзистора. Убедитесь, что зенеровский диод смотрит на сток. Потом припаяйте МДП-транзисторы к макетной плате с контактными отверстиями. На нижней стороне макетной платы припаяйте два быстрых диода между затвором и стоком каждого из транзисторов.

Убедитесь, что белая линия смотрит на затвор (рис.2). Затем соедините плюс от вашего блока питания со стоками обоих транзисторов через 2 220 Ом резистора. Заземлите оба истока. Припаяйте рабочую спираль и конденсаторную батарею параллельно друг другу, затем припаяйте каждый из концов к разным затворам. Наконец, подведите ток к затворам транзисторов через 2 50 мкгн дросселя. У них может быть тороидальный сердечник с 10 витками проволоки. Теперь ваша схема готова к использованию.

Шаг 9: Установка на основание

Чтобы все части вашего индукционного нагревателя держались вместе, им нужно основание. Я взял для этого деревянный брусок 5*10 см. плата с электросхемой, конденсаторная батарея и рабочая спираль были приклеены на термоклей. Мне кажется, агрегат выглядит круто.

Шаг 10: Проверка работоспособности

Чтобы ваш нагреватель включился, просто подсоедините его к источнику питания. Потом поместите предмет, который вам нужно нагреть, в середину рабочей спирали. Он должен начать нагреваться. Мой нагреватель раскалил скрепку до красного свечения за 10 секунд. Предметы крупнее, как гвозди, нагревались примерно за 30 секунд. В процессе нагревания потребление тока выросло приблизительно на 2 А. Этот нагреватель можно использовать не только для развлечения.

После использования прибора не образуется сажи или дыма, он воздействует даже на изолированные металлические объекты, например, газопоглотители в вакуумных трубках. Также прибор безопасен для человека – с пальцем ничего не случится, если поместить его в центр рабочей спирали. Однако, можно обжечься о предмет, который был нагрет.

Спасибо за чтение!

Индукционный нагреватель металла схема. Как сделать индукционный нагреватель своими руками для нагрева металла?

Содержание

В целях безопасности и защиты от перегрева сети необходимо, чтобы индукционная цепь для THF была оснащена автоматическим выключателем остаточного тока на номинальный ток потребления установки.

Индукционный нагреватель металла + схема

Технология индукционного нагрева становится все более популярной на практике благодаря своим многочисленным преимуществам. Более того, этот метод обработки металлов не так привлекателен для промышленности, как для отечественного частного сектора. Однако условия для создания материальных заводов в обоих случаях сильно отличаются. В отличие от промышленного сектора, частные домохозяйства требуют относительно небольшой мощности, простой конструкции и доступных материалов. В данном случае мы описываем схему индукционного нагревателя мощностью 1600 Вт, который вполне осуществим в домашних условиях. Это пример конструкции индукционного нагревателя для бытового использования.

Принцип технологии индукционный нагрев

Физически принцип индукционного нагрева довольно прост. Катушка, состоящая из проводника с током, генерирует высокочастотное магнитное поле. Металлический предмет, помещенный в катушку, вызывает протекание тока. Это приводит к тому, что объект становится очень горячим.

Резонансный конденсатор обычно подключается параллельно катушке индуктора. Этот шаг служит для компенсации индуктивного свойства катушки. Резонансный контур, образованный элементами катушка-конденсатор, возбуждается на собственной резонансной частоте. Значение тока возбуждения значительно меньше значения тока, протекающего через индукционную катушку.

Схема индукционного простого нагревателя мощностью 1600 Вт

Приведенную здесь схему, вероятно, следует рассматривать как экспериментальную установку. Тем не менее, это функциональный дизайн. Основными преимуществами схемы являются:

• относительная простота,
• наличие запасных частей,
• простой монтаж.

Схема индукционного нагревателя (рисунок ниже) работает по принципу «двойного полумоста», дополненного четырьмя силовыми транзисторами с изолированным затвором из серии IGBT (STGW30NC60W). Транзисторы управляются микросхемой IR2153 (полумостовой драйвер с самоконтактом).

Схема упрощенного маломощного индукционного нагревателя, пригодного для бытового использования.

Двойной полумост может обеспечить ту же мощность, что и полный мост, но драйвер затвора с полумостовой синхронизацией проще по конструкции и поэтому легче в использовании. Мощный двойной диод, такой как STTh300L06TV1 (2x 120A), действует как встречно-параллельная диодная схема.

Достаточно диодов с гораздо меньшей мощностью (30 A). Если используются транзисторы серии IGBT со встроенными диодами (например, STGW30NC60WD), этот параметр можно не указывать.

Рабочая резонансная частота устанавливается с помощью потенциометра. Наличие резонанса определяется по наибольшей яркости светодиодов.

Электронные компоненты простого индукционного нагревателя, сделанного своими руками: 1 — мощный двойной диод типа STTh300L06TV1; 2 — транзистор со встроенными диодами типа STGW30NC60WD

Конечно, всегда есть возможность построить более сложный драйвер. В целом, оптимальным решением представляется использование автоматической настройки. Это обычно используется в профессиональных схемах индукционного нагрева, но схема явно теряет фактор простоты при такой модернизации.

Регулировка частоты, катушка индуктивности, мощность

Конструкция индукционного нагревателя предусматривает регулирование частоты в диапазоне примерно 110 — 210 кГц. Однако схеме управления необходимо вспомогательное напряжение 14-15 В, которое поступает от небольшого адаптера (доплеровского преобразователя или обычного варианта).

Выход контура индукционного нагрева подключен к рабочему контуру катушки через переходную катушку L1 и разделительный трансформатор. Катушка имеет 4 витка кабеля в сердечнике диаметром 23 см, а разделительный трансформатор состоит из 12 витков биполярного кабеля, намотанного на сердечник диаметром 14 см.

Выходная мощность индукционного нагревателя составляет около 1600 Вт при указанных выше параметрах. Однако не исключено, что выходную мощность можно увеличить до более высоких значений.

Экспериментальная конструкция индукционного нагревателя, импровизированного. Мощность устройства довольно высока, несмотря на низкое энергопотребление.

В интернете существует достаточное количество различных дизайнов, созданных для разных целей. Возьмите небольшой индукционный нагреватель, состоящий из компьютерного блока питания мощностью 250-500 Вт. Модель на фото пригодится в гараже или автомастерской для плавки алюминиевых, медных и латунных прутьев.

Основные параметры

• Генератор представляет собой самовозбуждающийся LC осциллятор.
• Частота регулируется катушкой и серией конденсаторов.
• Автоматический резонанс в резонанс.
• Напряжение питания 9…40 В.
• Потребляемый ток до 40 A.

Основным преимуществом индукционного нагрева является его высокая энергоэффективность, достигающая 90 %. При традиционном отоплении с помощью топлива большая часть тепловой энергии выбрасывается в окружающую среду, и только часть этой энергии используется для нагрева металла. При индукционном нагреве почти вся энергия, не считая потерь в генераторе, катушке и цепи преобразования, нагревает металл, поскольку металл нагревается изнутри двумя токами.

Если в поле нагрева нет металла, потребляется только ток, необходимый для работы генератора.

Важно знать, что, в отличие от топливного нагрева, с помощью индукционного нагревателя можно нагревать только электропроводящие предметы — этот тип конструкции специально предназначен для нагрева металлов.

Процесс индукционного нагрева также используется в быту — в виде индукционных плит. Такая плита проста в использовании, высокоэффективна, безопасна и не требует использования горючих газов. Потребность в электроэнергии при приготовлении пищи на газе гораздо выше из-за потерь тепла при подводе питания к индукционной плите.

Принцип действия и схема

Индукционный нагреватель состоит из генератора и катушки. Катушка не имеет сердечника, а нагретый металл находится внутри катушки, например, в тигле. Принцип работы печи можно сравнить с принципом работы трансформатора с короткозамкнутой вторичной обмоткой. Быстрый переменный ток высокой интенсивности с частотой несколько десятков кГц, протекающий через катушку, создает быстро меняющееся электромагнитное поле. Когда проводник (металл) находится в этом поле, он становится «вторичной обмоткой», в которой индуцируются токи нагрева.

Представленный нагреватель разработан таким образом, чтобы быть готовым к эксплуатации сразу после монтажа и ввода в эксплуатацию, без необходимости настройки или запуска.

Схематическое изображение показано на рисунке. Он состоит из нескольких компонентов, наиболее важными из которых являются два транзистора, две индуктивности, ряд конденсаторов и катушка.

При разработке нагревателя было рассмотрено несколько концепций, включая решения с частотно-управляемым осциллятором. Однако нагреватели с отдельным генератором работают не очень хорошо, поскольку параметры индуктивности и емкости нагреваются во время работы, что приводит к изменению генерируемой частоты и разбалансировке резонанса.

Представленное решение характеризуется стабильной работой и хорошими параметрами и широко используется в бытовой технике. Генератор автоматически настраивается в резонанс после включения и самостоятельно поддерживает соответствующую рабочую частоту, автоматически реагируя на изменение температуры используемых компонентов. По сравнению со стандартным решением, в обогреватель добавлено несколько элементов, чтобы сделать его более простым и надежным.

Стабилизаторы D1 и D2 включены в цепи затворов МОП-транзисторов T1 и T2, ограничивая напряжение на них для предотвращения повреждения транзисторов, а диоды D3 и D4 используются для облегчения открытия транзисторов T1 и T2. Частота, генерируемая схемой, составляет около 90 кГц и зависит от суммарной емкости C1…C6 и индуктивности катушки.

Нагревательная спираль состоит из медной трубки диаметром около 6 мм. Использование стержней не имеет смысла из-за эффекта кожи. С другой стороны, медная трубка облегчает охлаждение при непрерывной работе, например, с помощью воды или другого охлаждающего средства, которое может протекать через внутреннюю часть трубки.

Монтаж и наладка генератора

Принципиальная схема нагревателя смонтирована на двухсторонней печатной плате с плакированными сквозными отверстиями и показана на рис. Все компоненты радиоприемника располагаются в один слой, и лучше всего начать с самых маленьких компонентов, таких как резисторы R1, R2, R5 и диоды D1, D2, D3 и D4. Транзисторы T1 и T2 должны быть припаяны так, чтобы их можно было прикрутить к теплоотводу. Дроссели L1 и L2 лучше всего припаять в конце. Предварительная пайка может затруднить прикручивание транзисторов к теплоотводу.

Катушка состоит из медной трубки диаметром около 6 мм, намотанной на сердечник диаметром около 50 мм. Поверните на 6 или 7 оборотов, оставляя прямые линии для подключения к клеммам генератора и возможного подключения шланга охлаждающей жидкости. Пример нагревательной спирали показан на рисунке.

Для изготовления катушки с семью витками на сердечнике диаметром 50 мм используется трубка длиной около 150 см. На рисунке показано, как катушка подключается к плате генератора.

Нагреватель питается током в диапазоне 12…48 В. Испытания также проводились при напряжении 55 В, но схема уже перегрелась. Из-за большого тока, до 30…40 А, для запуска индуктивного нагревателя металла следует использовать трансформатор мощностью около 1 кВт и вторичным напряжением 9…40 В переменного тока, в зависимости от выбранного рабочего напряжения устройства. Вторичное переменное напряжение трансформатора должно быть выпрямлено мостом с током около 50 А и сглажено конденсатором около 10 мкФ. Простая схема выпрямителя показана на рисунке, а ее прототип — на фотографии.

Ниже приведен пример работы нагревателя. В зависимости от типа нагреваемого металла можно достичь температуры свыше 1000°C.

Контур не нагревает немагнитные металлы, такие как алюминий. Чтобы расплавить алюминий, необходимо использовать тигель с металлическим сердечником.

Инвертор, который я показал вам ранее, принимает постоянный ток высокого напряжения и преобразует его в переменный ток высокого или низкого напряжения. Эта квадратная волна переменного тока проходит через трансформатор связи, переключатели Мосфета и конденсаторы связи постоянного тока к инвертору.

Принцип работы индукционного нагревателя

Каждая система индукционного нагрева обязательно включает в себя

• Элемент инвертора — используется для преобразования бытовой энергии в высокочастотные импульсы,
• Катушка — используется для генерации электромагнитного поля,
• Нагревательный элемент (рабочий элемент) — нагревает воду или металл, в зависимости от использования системы индукционного нагрева.

Операционная схема основана на последовательной работе всех элементов.

Это выглядит следующим образом:

1. Инвертор преобразует низкочастотный ток в высокочастотный и подает его на вторую ступень — катушку.
2. Катушка, рассчитанная на определенное количество витков медного провода с определенным сечением, формирует магнитное поле. Это формирует основу для генерации двух токов.
3. Нагревательный элемент, установленный на катушке, энергетически нагревается протекающими через него токами катушки.
4. Затем система включает в себя либо теплообменник с нагревательной жидкостью, либо нагревательную камеру. В последнем случае для плавки металла используются металлические детали и формы. Жидкость, подаваемая в контур индуктора, может также использоваться в качестве горячей воды, если она изготовлена из медных трубок. Катушку индуктивности можно охлаждать воздухом, но для отвода избыточной тепловой энергии требуется дополнительное устройство.

Система индукционного нагрева работает очень просто, но в то же время эффективно и обладает высокой стабильностью с минимальными повреждениями.

Сфера применения

Индукционные печи используются не только для нагрева. Типичные применения:

• Различные виды закалки с образованием закаленного слоя от 0,8 до 1,2 мм,
• Отжиг небольших отрезков проволоки,
• сварка и индукционная сварка тонкостенных контейнеров из черных и цветных металлов,
• сварка режущих частей в металлообрабатывающих инструментах,
• плавка цветных металлов и некоторых черных металлов,
• нагрев заготовок для ковки — использование в качестве индукционной печи,
• высокоскоростная сварка труб с получением прямых швов улучшенного качества,
• отопление и горячее водоснабжение. Индукционный нагреватель используется в качестве основного источника отопления зданий,
• автомобильные мастерские — нагрев на месте паяных гаек и болтов для облегчения снятия компонентов с автомобилей.

В целом, простой индукционный нагреватель используется в промышленном производстве как в малых, так и в больших масштабах.

Самодельные устройства на основе простых схем и элементов от микроволновых печей используются профессиональными владельцами гаражей и небольшими энтузиастами DIY.

Схема

Упрощенная схема, рассчитанная на выходную мощность 1600 Вт. На практике это функциональный вариант, требующий некоторых модификаций и улучшений.

Система индукционных нагревателей имеет свои преимущества:

• основные процедуры сборки и установки,
• компоненты схемы можно приобрести.

Этот экспериментальный высокочастотный индукционный нагреватель основан на принципе «двойного полумоста». Схема дополнена 4 транзисторами с изолированными затворами. Типичной моделью этого компонента является IGBT. Управление реализовано на микросхеме IR2153.

Конструкция позволяет генерировать такую же мощность, как и при использовании полномостовой схемы. При работе на основе драйвера затвора с управляемым по времени полумостом базовая конструкция устройства упрощается как при проектировании, так и при изготовлении и монтаже и эксплуатации. Был представлен диод двойного типа с повышенной мощностью STTh300L06TV1 (2x 120A).

Для данного приложения будет приемлемо использовать в схеме диод меньшей мощности — около 30А. IGBT-транзисторы оснащены встроенными диодами, что еще больше упрощает схему.

Индикация рабочей частоты устанавливается с помощью потенциометра. О наступлении резонанса свидетельствует максимальная яркость светодиодов.

Профессиональные индукционные аппараты имеют сложные схемы с автоматической настройкой основных системных дисплеев. В более простых конструкциях, таких как самодельный индукционный водонагреватель, главным критерием является простота схемы. В случае ошибки при сборке или строительстве дефекты могут быть быстро устранены.

Z-Syla — Публикации интересных и полезных материалов для общества. Новости о технологиях, исследованиях, экспериментах мирового масштаба. Социальная мультидисциплинарная информация — медиа .

Как сделать индукционный нагреватель

Существует несколько разновидностей металлических индукционных нагревателей, которые вы можете сделать самостоятельно, следуя плану и пошаговым инструкциям. Давайте рассмотрим наиболее распространенные из них.

Двухтактная схема

Устройство состоит из радиочастотного основного генератора на мощных полевых транзисторах. Рабочее напряжение определяется мощностью самих транзисторов. Если используются новейшие IRFP250, напряжение должно составлять от 12 до 30 В.

Используя мощные транзисторы, можно повысить температуру металла до более чем 1000°C, что позволяет его расплавить.

Поскольку транзисторы во время работы выделяют много тепла, их следует поместить в радиатор большой площади и охлаждать либо вентилятором, либо водой. Без нагрузки нагреватель потребляет около 10 А, а при нагреве — не менее 15 А, что означает, что вам необходим источник питания не менее 20 А.

Для показанной схемы можно изготовить печатную плату.

Сборка производится следующим образом:

Подобрав транзисторы с подходящими параметрами, можно построить устройство мощностью 500 ватт.

Усиленный вариант

Конструкция нагревателя напоминает обычный высокочастотный мультиметр.

Необходимые компоненты выбираются в соответствии с принципиальной схемой. Сборка состоит из следующих этапов:

При правильной сборке изделие должно работать немедленно. В противном случае необходимо проверить правильность подключения в соответствии с электрической схемой. Если вы не хотите собирать его самостоятельно, можно купить готовый генератор, который справится с нагревом мелких деталей.

С питанием от сети

Вы можете построить схему с IR2153 для питания нагревателя от сети. Для настройки резонанса используется резистор 100 кОм. Для управления частотами необходим дополнительный источник питания 12-15 В. Катушка, на которую подается напряжение 220 В, состоит из 20 витков провода диаметром 1,5 мм, намотанного на ферритовый сердечник размером 8 x 10 мм. Змеевик для нагрева металлических изделий изготавливается из толстой проволоки и имеет 10-30 витков, намотанных на шпиндель диаметром 3-10 см. Используются конденсаторы 6×330 нФ, 250 В.

Простая схема

Один из самых простых индукционных нагревателей — тот, что показан на рисунке:

Используемые транзисторы имеют следующее расположение выводов:

Меры безопасности

При работе с индукционным нагревателем необходимо соблюдать следующие пункты:

• При эксплуатации прибора необходимо соблюдать особую осторожность, так как существует повышенный риск получения ожогов как от нагретых предметов, так и от деталей прибора,
• Электромагнитное поле, создаваемое устройством, может воздействовать на объекты, находящиеся в непосредственной близости от него. Поэтому перед использованием рекомендуется снять такие устройства, как мобильные телефоны, цифровые камеры и т.д., и надеть одежду без металлических деталей.

Лица с кардиостимуляторами не должны использовать индукционный прибор.

Если ознакомиться с различными схемами и пошаговыми инструкциями по изготовлению индукционного нагревателя металла своими руками, то собрать такое устройство сможет практически каждый. Единственное, что вам потребуется, это минимальные навыки работы с паяльником и опыт чтения строительных планов. Правильный выбор компонентов и тщательная сборка устройства создают своеобразную печь для нагрева, закалки и плавления металлических предметов при строительстве или ремонте любого объекта.

Нагревательный элемент конструкции представляет собой катушку, т.е. змеевик. Поэтому, чтобы создать зону нагрева внутри змеевика, необходимо рассмотреть несколько случаев.

Преимущества самодельного устройства

Нагреватели имеют много важных преимуществ. К ним относятся следующие:

1. На поверхности блока не происходит отслаивания, так как образование бинарных токов вызывает вибрации. Это исключает необходимость дорогостоящей очистки котла.
2. Теплогенератор отличается максимальной герметичностью, даже если он собран вручную. В котлах отсутствует риск утечки, поскольку теплоноситель нагревается внутри трубы, а тепловая энергия передается с помощью электромагнитного поля. В конструкции системы нет разъемных соединений.
3. Нагреватель не требует ремонта и технического обслуживания, так как представляет собой медную трубку. Для сравнения, змеевик нагревателя часто перегорает и требует замены.
4. Во время работы преобразователя не слышно чрезмерного шума. Устройство действительно генерирует вибрации, но они настолько низкочастотны, что едва заметны.
5. Система имеет низкие затраты на установку и обслуживание. Это позволяет построить отопительный агрегат без особых трудностей и финансовых вложений.

Наряду с положительными характеристиками, индукционные нагреватели имеют и недостатки. Если устройство расположено на небольшом расстоянии, оно может вызвать ожоги, поскольку нагревает не только теплоноситель, но и окружающее пространство. По сравнению с газовыми котлами, индукционные установки более дороги в эксплуатации.

К недостаткам относится риск воспламенения из-за перегрева теплоносителя.

Этого можно избежать, установив датчик давления.

Что потребуется для изготовления своими руками

Вам следует подготовиться к предстоящей установке инверторной системы отопления:

1. Тело будущего устройства. Он состоит из трубы из термостойкого полимера диаметром 50 мм.
2. Нагревательный элемент. Она может быть изготовлена из проволоки из нержавеющей стали.
3. Опора для кабельных секций. Это металлическая сетка с мелким ячеистым сечением.
4. Индукционный элемент. Подходит медная проволока.
5. Система подачи жидкости. Для этого используется циркуляционный насос.

Кроме того, необходимо подготовить термостат и соединительные элементы для отопительного контура, которые включают шаровые краны и переходники.

Профессионалы используют для этой цели термостаты с реле и датчиками. Эти устройства способны отключать контур, когда теплоноситель достигает необходимой температуры.

Варианты самодельных устройств

В интернете существует достаточное количество различных дизайнов, созданных для разных целей. Возьмите небольшой индукционный нагреватель, состоящий из компьютерного блока питания мощностью 250-500 Вт. Модель на фото пригодится в гараже или автомастерской для плавки алюминиевых, медных и латунных прутьев.

Однако из-за низкой мощности конструкция не подходит для обогрева помещений. В Интернете можно найти две подлинные версии, причем испытания и эксплуатация записаны на видео:

• Полипропиленовый трубчатый нагреватель, который работает от сварочного инвертора или индукционной плиты,
• стальной чайник, подогреваемый той же плитой.

Резюме. Существуют и другие, полностью самодельные конструкции, в которых мастера собирают преобразователи частоты с нуля. Однако, поскольку это требует знаний и навыков в области радиотехники, мы не будем углубляться в это, а просто приведем пример такой схемы.

Давайте теперь подробнее рассмотрим, как делаются индукционные нагреватели своими руками и, что более важно, как они потом работают.

Изготавливаем нагревательный элемент из трубы

Если вы усердно искали информацию на эту тему, то наверняка наткнулись на эту конструкцию, потому что мастер-умелец выложил свою сборку на популярном видеоресурсе YouTube. С тех пор на многих сайтах появились текстовые версии в виде пошаговых инструкций по сборке этой катушки. Вкратце, нагрев осуществляется следующим образом:

1. Щетки для раковины из металла (можно нарезать проволоку — пруток) вставляются в полипропиленовую трубу диаметром 40 мм и длиной 50 см. Они должны быть затянуты магнитом.
2. Резьбовые краны для подключения к отопительной сети привариваются к трубе.
3. Снаружи вдоль корпуса приклеены 4-5 стержней Textolith. На них наматывается стеклоизолированный провод сечением 1,7-2 мм², используемый в сварочных трансформаторах.
4. Плита разбирается и извлекается «родная» плоская катушка. Вместо него подключен импровизированный трубчатый нагреватель.

Важная деталь. Длина и сечение провода для намотки катушки должны определяться оригинальной нагревательной катушкой, чтобы соответствовать мощности полевых транзисторов в схеме. Если взять больше проволоки, мощность нагрева уменьшится, меньшая будет перегреваться и транзисторы выйдут из строя. Как это показано наглядно, смотрите видео:

Как нетрудно догадаться, роль нагревательного элемента здесь играют металлические щетки в переменном магнитном поле катушки. Как показали испытания устройства, работая на полной мощности и пропуская воду через импровизированный чайник, можно нагреть ее на 15-20°C.

Выводы и рекомендации

Мы специально представили варианты индукционных нагревателей простой конструкции, чтобы любой желающий мог самостоятельно собрать такое устройство. Однако возникает вопрос, нужно ли им ввязываться в этот бизнес и вкладывать свое время. Существует несколько объективных соображений:

1. Пользователи, не знакомые с электричеством и радиотехникой, вряд ли смогут добиться увеличения мощности нагрева более чем на 2,5 кВт. Для этого необходимо построить схему частотного преобразователя.
2. КПД индуктора не выше, чем у других электрических котлов. Но гораздо проще смонтировать обогреватель с нагревательными элементами.
3. Если у вас дома нет индукционной варочной панели, вам необходимо приобрести ее примерно за 80 у.е. Такова цена на дешевые китайские товары в интернет-магазинах. Готовые электрические котлы мощностью до 10 кВт также доступны по той же цене.
4. Электрические котлы оснащены автоматической системой безопасности, которая отключает прибор после 1 или 2 часов работы. Это доставляет неудобства во время работы.
5. Если по разным причинам теплоноситель выходит из закрытого теплогенератора, нагрев не прекращается. Это может привести к пожару.

Конечно, можно обойтись без дорогостоящих покупок, хорошо разбираться в строительстве и построить индукционный нагреватель самостоятельно с нуля. Но все это не бесплатно, потому что вам придется покупать компоненты для схемы. Отметим, что прибыль от такого обогревателя невелика, поэтому не рекомендуется всерьез начинать его производство для отопления частного дома.

Выходная мощность индукционного нагревателя составляет около 1600 Вт при указанных выше параметрах. Однако не исключено, что выходную мощность можно увеличить до более высоких значений.

Шаг 6: Сборка трансформатора

Если вы внимательно прочитали эту статью, то, возможно, зададитесь вопросом: как проверить LC-цепь? Я уже говорил об инверторе и схеме, не упоминая о том, как их соединить.

Соединение осуществляется через соединительный трансформатор. Мой — от Magnetics, Inc., номер детали — ZP48613TC. Adams Magnetics также является хорошим выбором для тороидного феррита.

Тот, что слева, имеет провод 2 мм. Это хорошо, если ваш входной ток не превышает 20 ампер. При более высоком токе провод перегреется и перегорит. Для больших токов необходимо купить или сделать свой собственный многожильный провод. Я сделал его сам, оплетя 64 нити из проволоки 0,5 мм. Этот тип провода может легко выдерживать ток 50 А.

Инвертор, который я показал вам ранее, принимает постоянный ток высокого напряжения и преобразует его в переменный ток высокого или низкого напряжения. Эта квадратная волна переменного тока проходит через трансформатор связи, переключатели Мосфета и конденсаторы связи постоянного тока к инвертору.

Он пересекается медным трубчатым конденсатором и образует вторичную обмотку трансформатора. Это позволяет восстановительному напряжению проходить через конденсатор и рабочую катушку (LC-контур).

Шаг 7: Делаем рабочую катушку

Один из вопросов, который мне часто задают: «Как сделать такую изогнутую катушку?». Ответ: песок. Песок предотвращает разрушение трубы в процессе сгибания.

Возьмите из холодильника медную трубку диаметром 9 мм и заполните ее чистым песком. Заклейте один конец заранее, а другой закройте после того, как заполните его песком. Вкопайте в землю трубу подходящего диаметра. Измерьте длину трубы для вашей катушки и начните медленно наматывать ее на трубу. После того, как вы сделали катушку, остальное не составит труда. Продолжайте наматывать трубку, пока не получите нужное количество витков (обычно 4-6). Второй конец должен совпадать с первым. Это облегчит подключение к конденсатору.

Теперь снимите крышки и возьмите воздушный компрессор, чтобы выдуть песок. Лучше всего делать это на улице.

Обратите внимание, что медная трубка также служит для охлаждения воды. Эта вода циркулирует через емкостной конденсатор и через рабочую катушку. Рабочая катушка выделяет много тепла под действием тока. Даже если вы используете керамическую изоляцию внутри катушки (для сохранения тепла), в рабочей зоне, которую нагревает катушка, все равно возникают чрезвычайно высокие температуры. Я начал свою работу с большого ведра ледяной воды, и через некоторое время она стала теплой. Я советую вам взять побольше льда.

Шаг 8: Обзор проекта

Выше вы можете увидеть обзор проекта мощностью 3 кВт. Он имеет простой PLL драйвер, инвертор, соединительный трансформатор и емкость.

На видео показана работа индукционной горелки мощностью 12 кВт. Основное отличие заключается в том, что он имеет драйвер с микропроцессорным управлением, более крупные МОП-транзисторы и теплоотводы. Блок мощностью 3 кВт работает от сети переменного тока 120 В, блок мощностью 12 кВт — от сети 240 В.

Пошаговые фотографии и видеоинструкции объясняют, как собрать ту или иную вещь.

Индукционный нагреватель на 1000W своими руками

Содержание

• 1 Основные параметры
• 2 Принцип действия и схема
• 3 Монтаж и наладка генератора

Индукционный нагреватель представляет собой электронное устройство, используемое для нагрева и плавления металлов. Оно использует быстро меняющееся электромагнитное поле, которое нагревает металл внутри него с помощью вихревых токов. Такие нагреватели используются в промышленности для закалки и плавки металлов, на сталелитейных заводах и небольших металлообрабатывающих предприятиях, в ювелирных мастерских. В промышленности различают два типа индукционных нагревателей: сердечниковые (косвенные) и без сердечника (прямые), и именно этот тип нагревателей будет представлен в статье.

Основные параметры

• Генератор с самовозбуждением LC.
• Частота задается катушкой и набором конденсаторов.
• Автонастройка на резонанс.
• Напряжение питания 9…40 В.
• Потребляемый ток до 40 А.

Основным преимуществом индукционного нагрева является его высокая энергоэффективность, достигающая 90%. При традиционном нагреве сжигаемым топливом происходит большая потеря тепловой энергии, которая выделяется в окружающую среду, и только часть этой энергии идет на нагрев металла. При индукционном методе нагрева почти вся энергия, кроме потерь в генераторе, катушке и схеме преобразования, нагревает металл, так как металл нагревается изнутри вихревыми токами. Если в поле нагревателя нет металла, потребляется только ток, необходимый для питания генератора.

Важно отметить, что в отличие от нагрева топливом, с помощью индукционного нагревателя можно нагревать только электропроводящие предметы – эта конструкция предназначена для нагрева именно металлов.

Также метод индукционного нагрева нашел применение в домашнем хозяйстве – в виде индукционных плит. Такая плита обеспечивает удобство использования, высокий КПД и безопасность, и не требует задействования горючих газов. Мощность, которую необходимо обеспечить для кипячения газом, намного больше за счет теплопотерь, чем мощность подводимая к индукционной электроплите.

Принцип действия и схема

Конструкция индукционного нагревателя состоит из генератора и катушки. Катушка не имеет сердечника, а нагретый металл помещается внутрь, например, в тигель. Принцип работы печи можно сравнить с работой трансформатора с короткозамкнутой вторичной обмоткой. Быстро меняющийся ток большой силы и частоты в несколько десятков кГц, протекающий через катушку, создает быстро меняющееся электромагнитное поле. Когда проводник (металл) помещается в это поле, он становится «вторичной обмоткой», в которой индуцируются вихревые токи для нагревания.

Представленный нагреватель сконструирован таким образом, что после сборки и включения питания он сразу готов к работе, без необходимости его настройки или запуска.

На рисунке представлена принципиальная схема. Он сделан из нескольких элементов, самые главные из которых два транзистора, два дросселя, набор конденсаторов и катушка.

Принципиальная схема транзисторного индукционного нагревателя

При проектировании нагревателя рассматривались различные конструкции, в том числе решения с частотно-регулируемым генератором. Но нагреватели с отдельным генератором работают не очень хорошо из-за изменения параметров индуктивности и емкости, которые в процессе работы нагреваются, вызывая изменение генерируемой частоты и расстройку резонанса.

Представленное решение отличается стабильной работой и хорошими параметрами, широко используется в самодельных устройствах. После включения питания генератор автоматически настраивается на резонанс и самостоятельно поддерживает соответствующую рабочую частоту, автоматически реагируя на изменение температуры используемых компонентов. По сравнению с типовым решением для упрощения и повышения надежности в нагреватель добавлено несколько элементов.

Стабилитроны D1 и D2 включены в цепи затворов МОП-транзисторов Т1 и Т2, ограничивая напряжение на них, предотвращая повреждение транзисторов, а диоды D3 и D4 служат для облегчения поочередного открывания транзисторов Т1 и Т2. Генерируемая схемой частота составляет около 90 кГц и зависит от суммарной емкости С1…С6 и индуктивности катушки.

Катушка нагревателя изготовлена из медной трубки диаметром около 6 мм. Использование стержня не имеет смысла из-за скин-эффекта. С другой стороны, медная трубка позволяет легко охлаждать её во время продолжительной работы, например, водой или другой охлаждающей жидкостью, которая может проходить через внутреннюю часть трубки.

Монтаж и наладка генератора

Схема нагревателя выполнена на двухсторонней плате с металлизацией отверстий и представлена на рисунке. Все радиоэлементы монтируются в один слой, их сборку лучше начинать с самых мелких элементов, таких как резисторы R1, R2, R5, затем диоды D1, D2, D3 и D4. Транзисторы Т1 и Т2 следует припаять таким образом, чтобы их можно было прикрутить к радиатору. Дроссели L1 и L2 лучше всего припаять в самом конце. Их предварительная пайка может затруднить прикручивание транзисторов к радиатору.

Чертеж платы индукционного нагревателя

Катушка изготовлена из медной трубки диаметром около 6 мм, намотанной на сердечник диаметром около 50 мм. Намотайте 6 или 7 витков, оставив прямые выводы для монтажа в клеммах генератора и возможного соединения труб с охлаждающей жидкостью. Пример катушки нагревателя показан на рисунке.

Примерный вид изготовления катушки

Для изготовления катушки с семью витками, намотанными на сердечник диаметром 50 мм, используют трубку длиной около 150 см. На фото показан способ подключения катушки к плате генератора.

Способ крепления катушки к плате ZVC

Нагреватель питается напряжением в диапазоне 12…48 В. Испытания проводились также и при питании 55 В, но схема уже перегревалась. В связи с большим током, до 30…40 А, для запуска индукционного нагревателя металлов следует использовать трансформатор мощностью около 1 кВт и вторичным напряжением 9…40 В переменного тока, в зависимости от выбранного рабочего напряжения устройства. Переменное вторичное напряжение трансформатора следует выпрямить мостом с током около 50 А и сгладить конденсатором емкостью около 10 мФ. Схема несложного выпрямителя показана на рисунке, а его прототип на фото.

Сборка схемы блока питания генератора

Вот пример работы нагревателя. В зависимости от типа нагреваемого металла можно достичь температуры даже выше 1000°С.

Индукционный нагреватель на 1000W

Схема не нагревает немагнитные металлы, например, алюминий. Для плавки алюминия следует использовать тигель с металлическим сердечником.

Основы индукционного нагрева, Часть 5: Самостоятельные версии

9 февраля 2022 г. By Bill Schweber Оставить комментарий

Индукционный нагрев широко используется в промышленности и даже в бытовой технике в качестве метода бесконтактного нагрева со многими явными преимуществами.

В заключение этой статьи мы рассмотрим, как продвинутые любители могут построить собственную систему индукционного нагрева. Индукционные нагреватели являются одними из многих драматических проектов, созданных экспериментаторами и любителями. В конце концов, впечатляет нагрев этого металлического образца за несколько секунд.

Как и в случае с катушками Теслы, существуют веб-сайты, подробно описывающие, как построить собственную систему индукционного нагрева. В отличие от катушек Теслы, необходимые электронные детали довольно стандартны, как и медные или другие трубки, необходимые для первичной катушки. Кроме того, в отличие от катушек Тесла, используемые напряжения намного ниже, поэтому опасность поражения электрическим током гораздо меньше, а требования к изоляции и размеры зазоров значительно снижены.

Тем не менее, создание собственной системы — амбициозный проект. Всякий раз, когда у вас есть большие токи, как это свойственно индукционному нагреву, значения компонентов имеют решающее значение, и, казалось бы, тривиальные изменения могут повлиять на характеристики и работу усилителя мощности. Кроме того, высокие токи означают, что омические потери на контактах и ​​соединениях являются проблемой, и они могут фактически перегреться через I ² R Самонагрев с большими токами.

Как и в случае с катушкой Тесла, схема индукционного нагревателя довольно проста (рис. 1) . Генератор основан на классической конструкции Ройера (разработанной в 1954 году Джорджем Х. Ройером). В этом релаксационном генераторе используется трансформатор с насыщающимся сердечником, и он создает прямоугольные волны с помощью всего нескольких основных компонентов. (Эта топология генератора также используется в некоторых несвязанных схемах инвертора постоянного/переменного тока. ) В большинстве реализаций, включая индукционный нагреватель, выходной сигнал грубой прямоугольной формы часто модифицируется, чтобы быть более синусоидальным, с использованием резонансной схемы выходного резервуара. (С1/Л1).

Рис. 1. Базовая схема цепи индукционного нагревателя относительно проста и обычно основана на классическом генераторе Ройера. (Изображение: RM Cybernetics)

Задача усилителя мощности состоит в том, чтобы подавать большое количество тока заданной частоты на первичную катушку с низким импедансом (замените здесь «катушку» словом «антенна»; сходство между низкочастотным вещанием передатчик и индукционный УМ чистые). Напротив, источник питания с катушкой Теслы должен обеспечивать малый ток, но при очень высоком напряжении.

Типичный источник питания для проектов индукционного нагрева начинается со стандартного источника переменного/постоянного тока скромного уровня, рассчитанного на 15 В постоянного тока/20 А, который затем используется для схемы усилителя мощности/генератора. Предположим, что используется коммерческий источник переменного/постоянного тока, работающий от сети. В этом случае остальная часть цепи находится под относительно низким напряжением (как правило, ниже 100 В), поэтому это опасно, но не так опасно, как катушка Тесла, которая находится под напряжением в тысячи вольт и подвержена всевозможным индуцированным напряжением. поломки материала.

Большой проблемой является изготовление специальных электромеханических компонентов, таких как первичная катушка, их сборка и соединение. Небольшие изменения и кажущиеся незначительными проблемы могут оказать серьезное влияние, учитывая текущие уровни и повлиять на способность схемы нормально функционировать или вообще работать. Большое значение имеют провода, соединения и крепления, а также прочная конструкция. Вы даже можете купить наборы со всеми или большинством электронных деталей и печатной платой, но многие детали вам все равно придется изготовить самостоятельно.

Во многих промышленных и некоторых любительских конструкциях самонагрев первичной обмотки из-за неизбежных потерь I ² R (большие токи через постоянное сопротивление катушки в сочетании с теплом, излучаемым от заготовки обратно к первичной обмотке, могут перегреть сам материал первичного змеевика. Водяное охлаждение часто используется с водой, прокачиваемой через первичный змеевик, чтобы предотвратить это явление.Это, очевидно, усложняет физическую конструкцию и сборку (рис. 2) .

Рис. 2. Даже небольшой индукционный нагреватель может нуждаться в охлаждении первичной обмотки, что усложняет физическое устройство; обратите внимание на насос для аквариума слева с прозрачной пластиковой трубкой, идущей к спиральной трубе, которая также электрически связана с усилителем. (Изображение: RM Cybernetics)

Заключение

Индукционные нагреватели играют важную роль в промышленности и исследованиях как бесконтактный, эффективный, электрический и очень контролируемый метод нагрева и даже плавления различных металлов. Он широко используется и анализируется учеными и металлургами, которые исследовали как основную теорию, так и критические детали производительности, а также усилия инженеров-электриков и инженеров-механиков, которые построили необходимые схемы и системы. Он также подходит для проектов «сделай сам» серьезными экспериментаторами, хотя к нему следует подходить с осторожностью из-за связанных с ним токов, напряжений и температур.

Родственный EE World Content

• Использование закона индукции Фарадея
• IGBT с обратной проводимостью предназначен для приложений индукционного нагрева
• Какие передовые методы обнаружения используются для поиска потерянных сокровищ? Часть 2: Электромагнитная индукция
• БТИЗ снижают затраты на индукционные плиты
• Основы индукции
• Проблемы переменного тока с катушками индуктивности

Дополнительные ссылки

Профессиональные и промышленные ссылки

• Википедия, «Индукционный нагрев»
• AZO Materials, «Что такое индукционный нагрев и как работают индукционные катушки?»
• GH Induction Atmospheres, «Что такое индукционный нагрев?»
• Inductoheat, «Что такое индукционный нагрев?»
• ООО «РДО Индукция», «Основы индукционного нагрева»
• UltraFlex Power Technologies, «Как работает индукционный нагрев»
• Википедия, «Осциллятор Ройера»

Ссылки на потребительское использование

• Википедия, «Индукционная кулинария» (имеет номера эффективности)
• Consumer Reports, «Плюсы и минусы индукционных варочных панелей и плит»
• Марта Стюарт, «Плюсы и минусы индукционной кулинарии»
• Don’s Appliances, «Индукционная кулинария: что это такое и как это работает?»
• CDA, «Как работает индукционная плита?»

Самодельные ссылки

• Самодельные схемы, «2 простые схемы индукционных нагревателей — плиты»
• Самодельные схемы, «Как спроектировать схему индукционного нагревателя»
• Инновационные открытия, «Как построить индукционный нагреватель и как он работает?»
• RM Cybernetics, «Как работает индукционный нагрев?»
• Autodesk/Instructables, «Мощный индукционный нагреватель своими руками»

Рубрики: FAQ, Рекомендуемые Теги: FAQ

НАСТРАИВАЕМЫЙ ИНДУКЦИОННЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬ ВЫСОКОЙ МОЩНОСТИ (3–5 кВт) — Teslascience Hacks wordpress.

com/how-to-construct-simple-powerful-induction-heater) и с большим успехом, используя оба этих устройства, я хотел придумать что-то, что могло бы выдерживать большую мощность. Для этого нового проекта базовый настраиваемый драйвер такой же, как и для настраиваемого полумостового индукционного нагревателя, управляемого полевым МОП-транзистором, за исключением использования стабилизатора напряжения 12 В вместо стабилизатора 15 В. Трансформатор управления затвором (GDT) намотан 1: 2 вместо 1: 1 для подачи 24 В вместо 12 В, чтобы включить базы IGBT в полной мостовой схеме. Полный мост IGBT Fairchild FGA60N65 может выдерживать гораздо большую мощность, чем IRFP MOSFET. Такая установка полного моста будет означать, что при среднеквадратичном входном напряжении сети переменного тока 120 В каждая ветвь моста будет иметь 170 В, что будет результирующим входным напряжением на трансформаторе связи с накопительной цепью. Это устраняет необходимость в удвоителе напряжения, и, хотя можно использовать вариатор, устройство может питаться непосредственно от сети, если используется термистор, чтобы избежать скачка тока через мостовой выпрямитель при первоначальном подключении устройства. Причина этого всплеска тока (который может разрушить полный мостовой сетевой выпрямитель) заключается в том, что 2 конденсатора шины 2700 мкФ 400 В на выходе мостового выпрямителя в их незаряженном состоянии действуют как прямое короткое замыкание, что приводит к огромному всплеску тока, который выходит за пределы характеристик мостового выпрямителя.

Напряжение включения затвора IGBT составляет 24-30В для полного включения этих модулей. Отсюда и соотношение оборотов 1:2 на GDT, как упоминалось выше. Нагрев является меньшей проблемой для IGBT, которые обычно нагреваются в соответствии с IR, в отличие от правила IR2, которое обычно наблюдается для резисторов и MOSFET. Как и полевые МОП-транзисторы, IGBT отлично подходят для работы с высокими частотами переключения, которые обычно наблюдаются в индукционных нагревателях порядка 30–200 кГц. Их другая конструкция позволяет им лучше справляться с более высокими токами по сравнению с полевыми МОП-транзисторами. Даже при небольшой площади основания To247 для IGBT Fairchild FGA60N65 они могут легко выдерживать непрерывный ток 60 А при напряжении 650 В. С более крупными «кирпичными» IGBT, которые могут работать с большими токами, электроника драйвера затвора становится более серьезной проблемой, поскольку для запуска затворов в этих «кирпичных» модулях требуются более высокие мощности. По этой причине я решил придерживаться блоков размера To247, так как они могут работать на тех же чипах драйвера затвора UCC37321/37322, которые хорошо работают с блоками, управляемыми MOSFET. Для этого более мощного блока схема резервуара состоит из катушки диаметром 2,4–2,5 дюйма, состоящей из 6 витков медной катушки 3/8 дюйма и конденсаторной батареи емкостью 6 мкФ. Батарея емкостных конденсаторов состоит из 28 параллельно соединенных 0,22 мкФ, 2000 В 9Металлопленочные полипропиленовые конденсаторы 40C20P22K-F, полученные компанией Eastern Voltage Research. Конденсаторы были электрически соединены вместе для установки с низкой индуктивностью с использованием медного листа размером 8 x 12 x 0,0216 дюйма. Медная трубка длиной 18 дюймов и диаметром 1/2 дюйма была припаяна к каждому из двух медных листов путем нагревания горелкой, а затем с использованием большого количества флюса и припоя, чтобы получить хорошее электрическое соединение. В листах с припаянными медными трубками были предварительно просверлены отверстия для установки 28 конденсаторов и 28 латунных винтов для крепления выводов (см. ниже):

Завершенный блок полного моста

Латунные винты электрически соединяют крышки резервуаров (учтите, что железные винты нагреваются и не подходят).

Прежде чем углубляться в детали конструкции, краткое введение в индукционный нагрев, которое я описал ранее в другом видео на этом канале, но воспроизведено здесь для удобства (https://teslascience.wordpress.com/how-to-construct- простой-мощный-индукционный-нагреватель):

Индукционный нагрев — это удивительная возможность беспроводного нагревания металлических или графитовых предметов без использования открытого пламени и с минимальными потерями тепла в окружающую среду. Это не новое явление и существует уже более 100 лет. Он широко используется в металлургической и автомобильной промышленности, поскольку его легко контролировать и масштабировать.

Создав индукционный полумостовой нагреватель с фазовой автоподстройкой частоты (PLL) и настраиваемый индукционный полумостовой нагреватель, я хотел придумать что-то, что могло бы работать с большей мощностью, чем полумостовые полевые МОП-транзисторы порядка 3-5 кВт. Поскольку я также новичок в электронике, я чувствовал, что этот проект будет интересным и даст хорошее представление об основах работы индукционных нагревателей. В дополнение к PLL и настраиваемым индукционным нагревателям, упомянутым выше, я также построил много индукционных нагревателей типа Mazilli или Royer и купил коммерчески доступные (на Ebay и Alibaba) индукционные драйверы Mazilli китайского производства. Я обнаружил, что, хотя они хороши и просты в использовании, они склонны к сбоям, поскольку они ограничены диапазоном работы при низком напряжении и относительно низкой мощностью для того, что я хотел. Их также трудно контролировать с точки зрения количества нагрева. Хотелось сделать что-то более надежное и управляемое, а не вылиться в кучу перегоревших транзисторов! По сути, я хотел настраиваемую вручную установку, которая работала бы напрямую от выпрямленной сети вместо дорогих импульсных источников питания и позволяла бы избежать использования переменного тока. Базовая конструкция этих устройств использует сеть с более высоким напряжением при более низком токе (с которым хорошо справляются транзисторы IGBT) и преобразует это в более низкое напряжение при гораздо более высоких токах порядка 100 или 1000 ампер и высокочастотном переменном токе, обычно 30-200. кГц. Этот высокочастотный высокочастотный ток проходит через катушку из нескольких витков меди (называемую «рабочей катушкой»). Если в рабочую катушку помещается кусок железа, в этом куске железа (также называемом «заготовкой») индуцируются вихревые токи таким образом, что заготовка действует как закороченная первичная катушка с 1 витком. Из-за передаточного эффекта трансформатора в заготовке протекают огромные токи порядка многих сотен или тысяч ампер, что приводит к нагреву заготовки из-за комбинации внутреннего сопротивления (нагрев IR2) и гитерезиса (из-за воздействия на случайный массив магнитных диполей в железной заготовке, меняющий направление много раз в секунду на высокой частоте). Из-за высокой частоты ток протекает преимущественно в самых поверхностных слоях заготовки и рабочей катушки, что также известно как «скин-эффект». Это дополнительно увеличивает эффективное сопротивление заготовки, что приводит к еще большему нагреву I2R. Поскольку в рабочем змеевике также имеет место скин-эффект, в рабочем змеевике происходят потери энергии в виде тепла в поверхностных слоях змеевика. Толстая медная трубка с наружной и внутренней поверхностью или литцендратный провод (многожильный изолированный провод, каждая жила которого имеет электроизоляционное покрытие) увеличивает эффективную площадь поверхности рабочей катушки, снижая потери энергии в виде потерь тепла. Литцендрат используется в индукционных варочных панелях по той же причине. Более высокие частоты имеют больший скин-эффект с большим нагревом поверхности, что лучше подходит для нагрева небольших деталей. Низкие частоты имеют меньший скин-эффект и лучше подходят для нагрева больших деталей. Этот нагрев может перевести железо, например, из комнатной температуры в красное тепло, затем в оранжевое и ярко-желтое тепло выше точки Кюри (точки, в которой заготовка из железа или стали теряет нагрев из-за гистерезиса из-за потери своего ферромагнетизма). Чтобы иметь возможность добиться дальнейшего нагрева и расплавить железную заготовку (включая неферромагнитные металлы, такие как медь, серебро, золото и алюминий), необходимо достичь гораздо больших токов, чтобы преодолеть отсутствие гистерезиса. Целью этого второго проекта настраиваемого индукционного нагревателя является создание более крупного, но простого настраиваемого индукционного нагревателя, который мог бы плавить большее количество этих металлов, чем устройство на 4 мкФ, описанное во введении.

Для упомянутых выше индукционных нагревателей с PLL (включая тот, который я построил, хорошее подробное руководство по его изготовлению было написано Джонатаном Крайденом на http://inductionheatertutorial.com/), они предлагают удобство самостоятельной сборки. настроиться на точку. PLL работает от генератора, управляемого напряжением. Поскольку частота резонанса индукционного нагревателя изменяется по мере того, как в него помещается заготовка, в результате возникает потеря резонанса и соответствующая потеря нагрева, поскольку максимальный нагрев происходит только тогда, когда контур бака индукционного нагревателя находится в резонансе. При использовании PLL напряжение на баке подается на управляемый напряжением генератор микросхемы CD4046 PLL для поддержания максимального напряжения на баке. Однако обычно, когда металл, такой как железо, достигает точки Кюри, изменение резонансной частоты выходит за пределы диапазона PLL, и схема выходит из резонанса, и нагрев прекращается. Джонатон Крайден с сайта mindchallenger.com решил эту проблему, используя микропроцессор для поддержания резонанса схемы, а также для периодической расстройки схемы для снижения общего тока, протекающего через силовые транзисторы, и предохраняя их от разрушения в случае превышения допустимого значения тока. максимальная толерантность. Многие люди помогли продвинуть области твердотельного индукционного нагрева, в том числе такие люди, как «Неон Джон», Бэйли Ванг из Массачусетского технологического института, Джонатан Крайден, Ричи Бернетт (Великобритания) и многие другие. Если вы планируете построить индукционный нагреватель, такой как показанный здесь, сначала предостережение: в этом проекте использовались незащищенные сети, высокое напряжение и большие токи с серьезным риском травм или смерти, если не выполнять его в опытных руках. Я не несу ответственности за травмы или более серьезные последствия любой работы, описанной здесь. Описанная здесь работа предназначена только для академического и научного интереса.

Этот проект можно разделить на 3 основные части: 1) Генератор с регулируемой частотой, 2) Полномостовой инвертор с IGBT и 3) Резервуарная схема 6 мкФ.

Вот список компонентов для этого проекта по разделам:

ГЕНЕРАТОР С ПЕРЕМЕННОЙ ЧАСТОТОЙ:

1. 8-контактный разъем IC x 3
2. 14-контактный разъем IC x 1
3. Резистор 1 кОм 0,5 Вт x 2
4. Керамический конденсатор 10 нФ, 50 В x 1
5. 1 нФ, керамический колпачок 50 В x 1
6. 20k 10 оборотов банка x 1
7. Керамический конденсатор 100 нФ, 50 В, 4 шт.
8. 47 мкФ, 35 В электролитический конденсатор x 4
9. 1 мкФ керамика, цоколь 50 В x 4
10. 1000 мкФ, электролитический колпачок 35 В x 1
11. LM7812 x 1
12. LM7805 х 1
13. маленький радиатор для LM7812 x 1
14. Алюминиевый ящик для проектов (дополнительно) x 1
15. Понижающий трансформатор с 120 В переменного тока на 19–26,5 В (радиостанция) x 1
16. Мостовой выпрямитель 50 В 2 А x 1
17. 1 или 2 – зеленые ферритовые сердечники диаметром 1,5 дюйма для GDT)
18. перфокартон x 1
19. тонкий припой (зафлюсованный канифолью) x 1
20. паяльник 20-30 Вт x 1
21. UC37321 x 2
22. UC37322 x 2
23. NE555 x 1
24. 1N5819 (шоттки) x 4
25. соединительный провод x 1 рулон
26. 74HC14 шестигранный инвертор x 1

IGBT ПОЛНЫЙ МОСТ ИНВЕРТОР И ШИННЫЕ КОНДЕНСАТОРЫ:

1. FGA60N65 IGBT x 4
2. 6,8 Ом, резистор 2 Вт, 4 шт.
3. 1N5819 (шоттки) x 4
4. 1N5360B (стабилитрон 25 В) x 8
5. 1.5KE440CA двунаправленный (или однонаправленный) диод TVS x 5
6. Полипропиленовый демпферный колпачок 4,7 мкФ, 400 В пост. тока, 1 шт. (было бы лучше использовать снаббер 0,15–0,47, 1000 В).
7. Резистор 100 кОм, 2 Вт x 2 (для разрядки конденсаторов шины)
8. Aerovox RBPS20591KR6GNZ Демпферный колпачок 1 кВ, 2 мкФ, используемый в качестве колпачка блокировки постоянного тока (доступен в компании Eastern Voltage Research, Нью-Джерси, США) x 1
9. Электролитические конденсаторы мкФ, 400 В, 2700 мкФ, 2 шт.
10. Шунтирующий амперметр, 50 А x 1
11. 1,4″/2,4″ FT-240-61 Ферритовый тороидальный сердечник, тип 61 Материальный соединительный трансформатор x 3, сложенные вместе для получения одного большого сердечника соединительного трансформатора
12. Изолированный многожильный соединительный провод калибра 16 на 22 витка на трансформаторе связи
13. большой алюминиевый радиатор x 1 (Ebay)
14. Мостовой выпрямитель 35–40 А, 400 В x 1
15. Предохранитель 30–40 А с держателем предохранителя или автоматический выключатель 30–40 А (предпочтительно) x 1
16. клеммные винтовые соединители x 8 (для легкого удаления IGBT)
17. Термистор Ametherm SL32 1R030 x 1

КОНДЕНСАТОР РЕЗЕРВУАРА – 6-ОБОРОТНАЯ РАБОЧАЯ КАТУШКА:

1. Мягкая медная трубка 3/8″ из хозяйственного магазина x 1
2. Медная трубка длиной 18 дюймов и диаметром 1/2 дюйма из хозяйственного магазина x 2 (припаяйте их к медному листу)
3. Соединители для медных трубок от 3/8″ до 3/8″ x 2–4
4. Соединители для медных трубок от 1/2″ до 3/8″ x 2–4
5. Медный лист 12″ x 6″ x 0,0215″ (2 шт. )
6. фонтанный насос x 1
7. Латексная трубка для соединения насоса и медной трубки, 1 рулон
8. Стационарный припой и флюс x 1
9. Резак для медных труб x 1
10. 28 емкостных конденсаторов 2000 В, 0,22 мкФ 940C20P22K-F полипропиленовые металлопленочные конденсаторы (доступны здесь: eastvoltageresearch.com, а также на Ebay и Alibaba)
11. Резистор 47 кОм x 1
12. зеленый светодиод x 1
13. Ультрабыстрый диод UF4007 x 1
14. Пропановая горелка x 1

В этом проекте мы используем микросхему таймера 555 (рис. 1) в нестабильном режиме для генерации прямоугольного сигнала с коэффициентом заполнения 50%. Это достигается с помощью переменного резистора (0-20 кОм) для генерации переменной частоты в диапазоне от 35 кГц до 132 кГц. Этот диапазон отлично подходит для различных индукционных нагревателей различных размеров.

Рисунок 1: Схема драйвера. NB, если микросхемы драйвера затвора слишком сильно нагреваются, попробуйте уменьшить емкость керамических конденсаторов между выходом микросхемы драйвера затвора и GDT с 2 мкФ до 0,1 мкФ. 7HC14N является опечаткой и должно читаться как 74HC14N

НАЖМИТЕ ЗДЕСЬ, ЧТОБЫ ИЗОБРАЖЕНИЕ С ВЫСОКИМ РАЗРЕШЕНИЕМ:
Хотя 555 выдает прямоугольную волну, это не «чистая» прямоугольная волна. Чтобы очистить прямоугольную волну, выход 555 подается на шестнадцатеричный инвертор 74HC14N, который выдает хороший чистый прямоугольный сигнал. Он подается на инвертирующие и неинвертирующие входы микросхем драйверов MOSFET UC37321/22. Эти микросхемы питаются от 12 В для 12-вольтового выхода. Поскольку чипы работают в непрерывном режиме, а не в импульсном режиме, как в твердотельных катушках Теслы, они имеют тенденцию нагреваться и могут выйти из строя. Для уменьшения перегрева и выхода из строя этих микросхем по 2 штуки каждой из микросхем укладываются параллельно, спаивая их ножки между собой. Единственным недостатком микросхемы таймера 555, подключенной, как показано на этой схеме, является то, что рабочий цикл фиксируется на уровне 50%, и поэтому при отсутствии вариатора управление мощностью более ограничено. Еще одним недостатком показанной здесь настройки таймера 555 является отсутствие мертвого времени между включением одной микросхемы драйвера затвора UC и выключением другой. Это приводит к возможности одновременного включения обоих IGBT-транзисторов на одной стороне полного моста, что приводит к ситуации, известной как прострел, создающей короткое замыкание на одной стороне полного моста и приводящее к разрушению IGBT на одной стороне. стороне полного моста. В действительности прострелы действительно происходят и, по-видимому, допустимы для IGBT. Я не заметил, чтобы это было проблемой (пока) с этой настройкой таймера 555.

2 микросхемы UC373XX с припаянными друг к другу ножками и наклеенной алюминиевой полосой для снижения перегрева

На эти параллельно соединенные микросхемы можно приклеить небольшие полоски алюминия для еще большего охлаждения. Выход микросхемы проходит через керамические конденсаторы, которые функционируют как конденсаторы блокировки постоянного тока. Обычно достаточно 1-2 мкФ (рис. 1). Крышки должны быть рассчитаны не менее чем на 50В. Трансформатор драйвера затвора намотан на одиночном ферритовом тороиде, который намотан 1:2:2:2:2 с 10:20:20:20:20 витками витых пар.

Трансформатор привода затвора с обмоткой 1:2:2:2:2 Изготовлен из кабеля CAT5. Он содержит 8 проводов, 4 из них цветные и 4 «белых». Все белые были объединены для праймериз. 4 цветных питают каждую из баз 4 IGBT в полномостовом инверторе. Важно, чтобы провода от GDT были короткими, чтобы уменьшить паразитный шум от радиопомех.

В качестве альтернативы, 2 трансформатора привода затвора могут быть намотаны 1:2:2 каждый трехжильным проводом 10:20:20 витков. Цель состоит в том, чтобы подать 24 В на базы IGBT, чтобы убедиться, что они полностью включены. Более 30 В приведет к отказу IGBT. Для предотвращения всплесков на базах между базами и эмиттерами подключены встречные 25-вольтовые стабилитроны (рис. 2). Эти стабилитроны также помогают дополнительно выравнивать входной сигнал базы транзистора.

НАЖМИТЕ ЗДЕСЬ, ЧТОБЫ ИЗОБРАЖИТЬ В БОЛЬШОМ РАЗРЕШЕНИИ:

Рис. 2: Полномостовой инвертор IGBT с питанием от сети.

Если используются 2 GDT, то их первичные контакты должны быть подключены параллельно к выходу пары микросхем драйвера UC37321/22 (рис. 1). Две оставшиеся обмотки каждого из GDT подключены между базами и эмиттерами IGBT таким образом, что 2 IGBT в полном мосту включены, а другая пара выключена (см. рис. 2). Это достигается путем реверсирования выходных соединений вторичных устройств второго GDT. Прежде чем подключать выходы GDT к базам IGBT, проверьте формы сигналов вторичных обмоток GDT, чтобы убедиться, что они прямоугольные или как можно ближе к прямоугольным. Для достижения хороших прямоугольных сигналов может потребоваться использование другого или большего GDT или увеличение или уменьшение количества обмоток на нем. Существует множество различных типов ферритовых материалов. Зеленые ферритовые тороиды работают лучше всего. Тороиды из желтого или светло-зеленого порошкового железа, используемые в компьютерных блоках питания, дают очень плохой сигнал привода затвора и не подходят для этой цели. Убедитесь, что один набор оппозитных IGBT в полном мосту (рис. 2) включен, сведя сигналы к основаниям, в то время как другая оппозитная пара имеет противофазные формы сигналов, которые отключили бы их. Таким образом, одна пара включена, а другая противоположная пара (рис. 2) выключена, а затем наоборот.

Противоположный прямоугольный входной сигнал, измеренный на воротах:

Отрицательная шина секции драйвера на рис. 1 также должна быть заземлена на заземление сети, так как при перемещении руки или других предметов на выходе могут возникать колебания к секции драйвера во время ручной настройки, если он не был должным образом заземлен, как я испытал. Секция драйвера должна быть изолирована от силовой части цепи предпочтительно алюминиевой коробкой. Коробка также должна быть заземлена. Важно: обратите внимание, что 12-вольтовый регулятор напряжения LM7812 ДОЛЖЕН иметь радиатор, иначе он перегреется и автоматически отключится. Теплоотвод может быть достигнут либо путем добавления навинчиваемого радиатора к регулятору, либо, что более удобно, путем привинчивания LM7812 к стенке проектной коробки. Поскольку металлическая задняя часть регулятора представляет собой отрицательную шину, это позволяет легко заземлить отрицательную шину, а также коробку на землю, просто подключив заземление к внешней стороне коробки.

БТИЗ FGA60N65 легко могут работать при постоянном напряжении 650 В 60 А (для чего определенно требуется радиатор). Все эти БТИЗ имеют собственную базовую емкость, которая в сочетании с вторичной индуктивностью приводного трансформатора приводит к сильным звонковым колебаниям на базах во время коммутации, которые могут повредить базы. Этот звон гасится резисторами затвора на 6,8 Ом. Остаточный заряд на базах быстро снимается диодами Шоттки (1N5819), включенными параллельно резисторам базы (см. рис. 2). Если базы работают при напряжении 24-30 В, они работают в области плато кривой напряжения-тока, где резистивный нагрев IGBT минимален. Это дополнительно уменьшается за счет ZVS или переключения нулевой точки, которое достигается правильной настройкой (см. далее). Диоды TVS 440В защищают коллектор-эмиттер от скачков обратного напряжения. Снабберный конденсатор на 400 В 4,7 мкФ (оглядываясь назад, было бы лучше использовать демпфер на 1000 В 0,22 мкФ, так как номинальное напряжение 400 В — слишком низкое напряжение) и дополнительные TVS, обычно рассчитанные на 400–440 В (переходное пиковое напряжение), защищают рельсы ( Рис. 2) от скачков напряжения. Большие электролитические конденсаторы (2700 мкФ, 400 В) помогают сгладить выпрямленный переменный ток и действуют как резервуар заряда. Однако в этих колпачках нет необходимости, и устройство будет работать непосредственно от несглаженного выпрямленного переменного тока. Выпрямитель и IGBT-транзисторы FGA60N65 должны иметь радиатор с добавлением вентилятора для дополнительного охлаждения радиаторов.

Вентилятор в основании радиатора:

Выход инвертора подается на ферритовый соединительный трансформатор, состоящий из 3 ферритовых тороидальных сердечников диаметром 2,4 дюйма, соединенных вместе лентой, и примерно с 20–22 витками изолированного многожильного провода 16 калибра. наматывается вокруг них. Эти обмотки действуют как первичные обмотки для контура бака (см. рис. 3).

Рис. 3: Цепь 6 мкФ резонирует на частоте 40 кГц. Резервуар представляет собой первичную обмотку с 1 витком, соединенную последовательно с рабочей катушкой (в данном случае 6 витков медной трубки диаметром 2,5 дюйма и диаметром 3/8 дюйма) и последовательно с батареей конденсаторов (рис. 3). Конденсаторная батарея состоит из 28 параллельно соединенных пленочных конденсаторов 0,22 мкФ 2000 В (рассчитанных на использование с индукционными нагревателями и катушками Тесла) общей емкостью 6 мкФ. Использование качественных MKP или других полипропиленовых конденсаторов, способных выдерживать большие токи, высокое напряжение и высокую частоту, необходимо для работы индукционного нагревателя. Если конденсаторы имеют неправильный номинал, они нагреются и взорвутся, а передача энергии на заготовку в 6-витковой рабочей катушке будет незначительной или вообще не будет передаваться.

Блокирующий конденсатор по постоянному току подключен между выходом инвертора и ферритовым трансформатором связи (см. схему инвертора на рис. 2). Демпферные колпачки Aerovox RBPS20591KR6GNZ 1 кВ, 2 мкФ отлично работают в этой емкости и очень долговечны:

Если, например, 20 А протекает через IGBT во время нагрева, это соответствует 22 x 20 А, протекающим в баке с 22 включите соединительный трансформатор, т.е. 440А.

Использование токоизмерительных клещей для измерения тока 355 А, протекающего в контуре бака:

С 6-витковой рабочей катушкой величина тока, протекающего через заготовку, составит 440 x 6 = приблизительно 2,6 кА! Общая емкость конденсаторной батареи, состоящей из 28 конденсаторов по 0,22 мкФ = 6 мкФ. С 6-витковой рабочей катушкой диаметром 2,5 дюйма это резонирует примерно на 40 кГц. Это частота, при которой происходит максимальный нагрев заготовки и переключение нулевой точки транзисторов. Частота может быть изменена на лету, чтобы приспособиться к более крупной заготовке и т. д. Обычно для более точной настройки предпочтительнее использовать 10-оборотный подстроечный резистор 20 кОм в схеме драйвера (рис. 1) (у меня был только 1-оборотный подстроечный резистор). Когда желаемый уровень нагрева достигнут, передачу мощности можно уменьшить и отключить, расстроив цепь, а затем отключив питание от сети. Однако для более безопасной работы можно использовать вариатор, но он должен быть рассчитан на мощность не менее 3-4 кВА, что приводит к увеличению объема и шума (обмотки и сердечник вариатора громко вибрируют при больших мощностях). Рабочий змеевик охлаждается за счет того, что вода течет по медным трубкам в виде непрерывного контура с помощью фонтанного насоса или просто из шланга, подсоединенного непосредственно к крану. При выбранных значениях нагрева материала трансформатора связи или первичной обмотки трансформатора связи немного или совсем нет. Конденсаторы подключены (рис. 3) таким образом, что каждый из конденсаторов в группе конденсаторов вносит одинаковый вклад в общий ток, чтобы избежать чрезмерного нагрева любого из конденсаторов. Следовательно, рабочая катушка подключена к противоположным концам батареи конденсаторов, как показано на рисунке 3. Дальнейшее охлаждение конденсаторов может быть достигнуто с помощью принудительного воздушного охлаждения от вентилятора корпуса компьютера, но я обнаружил, что это не нужно даже при больших пробегах! Вероятно, это связано с тем, что номинальные характеристики выбранных конденсаторов подходят для этого типа приложений.

Резонансную частоту контура бака можно определить перед подключением к индукционному нагревателю, подключив его к генератору сигналов через резистор 10 кОм и замерив напряжение на баке при изменении частоты сигнала. Либо синусоида, либо прямоугольная волна могут быть введены в резервуар через резистор 10 кОм. Резонанс наблюдается при внезапном повышении напряжения на баке.

При типичном запуске схема драйвера включается и расстраивается, начиная с частоты, ВЫШЕ резонанса контура резервуара — точка резонанса может быть отмечена на циферблате регулятора настройки. Важно начинать с более высокой частоты выше резонансной и медленно уменьшать частоту, пока не будет достигнут резонанс и не произойдет нагрев заготовки. Причина в том, что если настройка начинается с более низкой частоты на более высокую, между эмиттером и коллектором IGBT будут возникать сильные всплески напряжения звонка ниже резонанса, что может привести к отказу IGBT. Затем обрабатываемая деталь помещается в змеевик. Затем инвертор подключается к сети переменного тока со среднеквадратичным значением 120 В или 220 В, в зависимости от того, где вы живете (обратите внимание, что это устройство было протестировано с напряжением 120 В переменного тока, а не 240 В переменного тока). Частота медленно уменьшается с помощью настроечного потенциометра, пока не будет достигнута резонансная частота контура резервуара. В этот момент загорится зеленый светодиодный индикатор на баке. Настройку продолжают до тех пор, пока на шунтирующем амперметре не появится максимальный ток (рис. 2). Причина, по которой предпочтительнее начинать настройку с деталью, уже находящейся в рабочей катушке, заключается в том, что отсутствие детали в катушке приведет к очень высоким токам, протекающим через коллекторы IGBT при резонансе, что может вызвать нагрузку на IGBT. Когда устройство настроено (максимальный ток при наличии заготовки и горящем индикаторе), будет отмечаться видимый нагрев заготовки. Перенастройка выполняется, если железо нагрето выше точки Кюри (770 градусов по Цельсию), так как потеря ферромагнетизма в заготовке приведет к выходу резервуара из резонанса. Я обнаружил, что это относится к индукционным нагревателям с ФАПЧ, которые вышли из резонанса в точке Кюри и должны были быть настроены вручную. Это было разочаровывающим, так как это как бы лишало цели использования PLL, и поэтому я решил сделать устройства с ручной настройкой.

Обратите внимание на короткие соединения от GDT. Провода GDT представляют собой витые пары и покрыты алюминиевой лентой для защиты от паразитных радиопомех:

Я использовал пропановую горелку и припой для электрических соединений 18-дюймовой прямой медной трубы 1/2″ с медным листовым покрытием. . Медная трубка диаметром 3/8 дюйма была разрезана с помощью резака для медных труб, и после того, как она превратилась в катушку диаметром 2,5 дюйма, была соединена с медью диаметром 1/2 дюйма с помощью фитингов и припоя для герметичности соединений. 6-витковая медная рабочая катушка была изготовлена ​​путем расчета правильной длины медной трубки 3/8″, чтобы получить 6-витковую катушку диаметром 2,5 дюйма, а затем добавлены дополнительные 20–24 дюйма, чтобы получить 10–12-дюймовую прямую медную трубку. на каждом конце катушки. Требуемая длина трубки – это отрезок (с помощью резака для медных труб, а не ножовки) рулона мягкой медной трубки, который можно приобрести в любом хозяйственном магазине. Середина отрезанного куска отмечается маркером, один конец отрезанного куска закрывается колпачком, а затем отрезанный кусок доверху засыпается песком. Песок периодически утрамбовывают, постукивая трубкой по земле, чтобы обеспечить полное заполнение без воздушных зазоров. Затем другой конец закрывается крышкой, как только труба полностью заполняется песком. Используя кусок трубы из ПВХ или дерева с наружным диаметром 2,5 дюйма, крепко удерживая его как минимум двумя тисками, среднюю точку заполненной песком трубы помещают на один конец трубы из ПВХ или деревянного дюбеля, и с каждой стороны наматывают 3 витка. отмеченной средней точке, чтобы получить в общей сложности 6 витков с наконечниками равной длины 10-12 дюймов на 6-витковой катушке. Песок предотвращает перекручивание или коробление трубки во время намотки змеевика. Намотать катушку не так просто, как может показаться, и перед намоткой 6-витковой катушки может быть полезно потренироваться с небольшой длиной заполненной песком медной трубки. Песок удаляют из готового змеевика, снимая торцевые крышки и постукивая по нему, пока песок не высыпается из него. Последние следы песка в змеевике можно удалить, продув их ртом или сжатым воздухом.

Потоотделители:

Термистор на 30 А рядом с выключателем на 40 А для предотвращения скачков пускового тока при включении агрегата напрямую от сети без вариатора:

Шунтирующий амперметр на 50 А для настройки:

2

0 трансформатор, состоящий из трех 2,4-дюймовых ферритовых тороидов, соединенных вместе лентой. 22-витковый красный многожильный провод 16-го калибра намотан вокруг трансформатора связи:

Схема драйвера была изготовлена ​​с использованием обычной перфокарты и компонентов со сквозными отверстиями. Для компонентов ИС настоятельно рекомендуется использовать держатели гнезд ИС! Заземление отрицательной шины схемы драйвера необходимо для стабильной работы драйвера.

Для полномостового инвертора я использовал клеммные винтовые соединители, чтобы легко заменить IGBT, вместо того, чтобы припаивать их на место. Многослойный мост с низкой индуктивностью с медной шиной или полосой использовался для уменьшения паразитной индуктивности. Полный мост с низкой индуктивностью. Обратите внимание на демпферный колпачок aerovox 4,7 мкФ, 400 В и диоды TVS:

После добавления стабилитронов:

Без стабилитронов:

28 x 0,22 мкФ конденсаторы 2 кВ, расположенные между 6 медными листами u банк. Это едва нагревалось во время более длительных пробежек:

Вот видео установки, подключенной непосредственно к розетке 220 В:

Вот тигель, полный расплавленного алюминия, который расплавился за считанные минуты:

Большой кусок алюминия, выплавленный из алюминиевого лома ( плавится за считанные минуты):

Я надеюсь, что это краткое руководство было полезным для тех, кто заинтересован в создании более крупного и мощного настраиваемого индукционного нагревателя с полным мостом IGBT. Это устройство зарекомендовало себя как надежное без перегоревших транзисторов (пока) и может легко работать от сети. Полезно иметь выключатель хотя бы на 30-40А. Это более крупное устройство способно плавить различные металлы, как показано в приведенном выше видео, и этот проект полезен для изучения некоторых основных электронных устройств, лежащих в основе этих удивительных устройств.

Если вас интересует другая электроника и целый ряд других интересных технических проектов, посетите мой канал на YouTube по адресу

https://www.youtube.com/user/skippy38305

и не забудьте подписаться!

Нравится:

Нравится Загрузка…

Основные сведения о высокочастотном индукционном нагреве-United Induction Heating Machine Limited of China

Введение

Индукционный нагрев — это процесс некондуктивного нагрева. Он использует электричество высокой частоты для нагрева материалов, которые являются электропроводящими. Поскольку он бесконтактный, процесс нагрева не загрязняет нагреваемый материал. Это также очень эффективно, так как тепло фактически генерируется внутри заготовки. Это можно противопоставить другим методам нагрева, при которых тепло генерируется пламенем или нагревательным элементом, который затем воздействует на заготовку. По этим причинам индукционный нагрев подходит для некоторых уникальных применений в промышленности.

 

Как работает индукционный нагрев?

Источник высокочастотного электричества используется для подачи большого переменного тока через катушку. Эта катушка известна как рабочая катушка. Смотрите картинку напротив. Прохождение тока через эту катушку создает очень интенсивное и быстро меняющееся магнитное поле в пространстве внутри рабочей катушки. Нагреваемая деталь помещается в это интенсивное переменное магнитное поле. В зависимости от материала заготовки происходит ряд вещей. ..

Переменное магнитное поле индуцирует ток в токопроводящей заготовке. Расположение рабочей катушки и заготовки можно представить как электрический трансформатор. Рабочая катушка похожа на первичную, куда подается электрическая энергия, а заготовка похожа на вторичную обмотку с одним витком, которая короткозамкнута. Это вызывает огромные токи, протекающие через заготовку. Они известны как вихревые токи. В дополнение к этому, высокая частота, используемая в устройствах индукционного нагрева, вызывает явление, называемое скин-эффектом. Этот скин-эффект заставляет переменный ток течь тонким слоем к поверхности заготовки. Скин-эффект увеличивает эффективное сопротивление металла прохождению большого тока. Поэтому это значительно увеличивает эффект нагрева, вызванный током, индуцируемым в заготовке.

(Хотя в этом приложении желателен нагрев из-за вихревых токов, интересно отметить, что производители трансформаторов делают все возможное, чтобы избежать этого явления в своих трансформаторах. Многослойные сердечники трансформаторов, сердечники из порошкового железа и ферриты — все используется для предотвращения протекания вихревых токов внутри сердечников трансформатора.Прохождение вихревых токов внутри трансформатора крайне нежелательно, так как вызывает нагрев магнитопровода и представляет собой потерю мощности.)

 

А для черных металлов?

Для черных металлов, таких как железо и некоторые виды стали, существует дополнительный механизм нагрева, который имеет место одновременно с упомянутыми выше вихревыми токами. Интенсивное переменное магнитное поле внутри рабочей катушки многократно намагничивает и размагничивает кристаллы железа. Это быстрое переключение магнитных доменов вызывает значительное трение и нагрев внутри материала. Нагрев из-за этого механизма известен как гистерезисные потери и максимален для материалов, которые имеют большую площадь внутри своей кривой BH. Это может быть большим фактором, способствующим теплу, выделяемому во время индукционного нагрева, но это происходит только внутри черных металлов. По этой причине черные материалы легче поддаются индукционному нагреву, чем цветные.

Интересно отметить, что сталь теряет свои магнитные свойства при нагревании выше примерно 700°C. Эта температура известна как температура Кюри. Это означает, что выше 700°С не может быть нагрева материала из-за гистерезисных потерь. Любой дальнейший нагрев материала должен происходить только за счет индуцированных вихревых токов. Это делает нагрев стали выше 700°C более сложной задачей для систем индукционного нагрева. Тот факт, что медь и алюминий являются немагнитными и очень хорошими электрическими проводниками, также может затруднить эффективное нагревание этих материалов. (Мы увидим, что лучший способ действий для этих материалов — увеличить частоту, чтобы преувеличить потери из-за скин-эффекта.)

 

Для чего используется индукционный нагрев?

Индукционный нагрев можно использовать для любого применения, где требуется нагреть электропроводящий материал чистым, эффективным и контролируемым образом.

Одним из наиболее распространенных применений является запечатывание защитной пломбы, которая приклеивается к верхней части бутылок с лекарствами и напитками. Уплотнение из фольги, покрытое «клеем-расплавом», вставляется в пластиковую крышку и привинчивается к верхней части каждой бутылки во время изготовления. Затем эти уплотнения из фольги быстро нагреваются, когда бутылки проходят под индукционным нагревателем на производственной линии. Вырабатываемое тепло расплавляет клей и запечатывает фольгу на верхней части бутылки. Когда крышка снята, фольга остается, обеспечивая воздухонепроницаемое уплотнение и предотвращая любую фальсификацию или загрязнение содержимого бутылки до тех пор, пока покупатель не проткнет фольгу.

Другим распространенным применением является «обжиг геттера» для удаления загрязнений из вакуумированных трубок, таких как телевизионные кинескопы, электронные трубки и различные газоразрядные лампы. Кольцо из проводящего материала, называемое «геттер», помещается внутрь вакуумированного стеклянного сосуда. Поскольку индукционный нагрев является бесконтактным процессом, его можно использовать для нагрева газопоглотителя, уже запаянного внутри сосуда. Индукционная рабочая катушка расположена рядом с геттером снаружи вакуумной трубки, и источник переменного тока включен. В течение нескольких секунд после запуска индукционного нагревателя геттер нагревается добела, а химические вещества в его покрытии реагируют с любыми газами в вакууме. В результате газопоглотитель поглощает последние оставшиеся следы газа внутри вакуумной трубки и повышает чистоту вакуума.

Еще одним распространенным применением индукционного нагрева является процесс, называемый зонной очисткой, используемый в производстве полупроводников. Это процесс, в котором кремний очищается с помощью движущейся зоны расплавленного материала. Интернет-поиск обязательно выдаст более подробную информацию об этом процессе, о котором я мало что знаю.

Другие области применения включают плавление, сварку и пайку металлов. Индукционные плиты и рисоварки. Закалка металла боеприпасов, зубьев шестерен, пильных полотен, приводных валов и т. д. также является обычным применением, поскольку индукционный процесс очень быстро нагревает поверхность металла. Поэтому его можно использовать для упрочнения поверхности и упрочнения локализованных участков металлических деталей путем «опережения» теплопроводности вглубь детали или в окружающие области. Бесконтактный характер индукционного нагрева также означает, что его можно использовать для нагрева материалов в аналитических целях без риска загрязнения образца. Точно так же металлические медицинские инструменты можно стерилизовать, нагревая их до высоких температур, пока они все еще находятся в запечатанной стерильной среде, чтобы убить микробы.

 

Что требуется для индукционного нагрева?

Теоретически для индукционного нагрева необходимы только 3 вещи:

1. Источник высокочастотного электричества,
2. Рабочая катушка для создания переменного магнитного поля,
3. Электропроводящая заготовка для нагрева,

Сказав это, практические системы индукционного нагрева обычно немного сложнее. Например, часто требуется сеть согласования импеданса между источником высокой частоты и рабочей катушкой, чтобы обеспечить хорошую передачу мощности. Системы водяного охлаждения также распространены в индукционных нагревателях большой мощности для отвода отходящего тепла от рабочей катушки, ее согласующей сети и силовой электроники. Наконец, обычно используется некоторая управляющая электроника для контроля интенсивности действия нагрева и определения времени цикла нагрева для обеспечения стабильных результатов. Управляющая электроника также защищает систему от повреждения в результате ряда неблагоприятных условий эксплуатации. Однако основной принцип работы любого индукционного нагревателя остается таким же, как описано ранее.

 

Практическая реализация

На практике рабочая катушка обычно включается в контур резонансного резервуара. Это имеет ряд преимуществ. Во-первых, он делает форму волны тока или напряжения синусоидальной. Это сводит к минимуму потери в инверторе, позволяя использовать либо коммутацию при нулевом напряжении, либо коммутацию при нулевом токе, в зависимости от конкретной выбранной схемы. Синусоидальная форма волны на рабочей катушке также представляет собой более чистый сигнал и вызывает меньшие радиочастотные помехи для близлежащего оборудования. Этот более поздний момент становится очень важным в мощных системах. Мы увидим, что имеется ряд резонансных схем, которые конструктор индукционного нагревателя может выбрать для рабочей катушки:

 

Цепь последовательного резонансного резервуара

Рабочая катушка приводится в резонанс на заданной рабочей частоте с помощью конденсатора, включенного последовательно с ней. Это приводит к тому, что ток через рабочую катушку становится синусоидальным. Последовательный резонанс также увеличивает напряжение на рабочей катушке, намного превышающее выходное напряжение инвертора. Инвертор воспринимает синусоидальный ток нагрузки, но он должен выдерживать полный ток, протекающий в рабочей катушке. По этой причине рабочая катушка часто состоит из множества витков провода с током всего в несколько ампер или десятков ампер. Значительная мощность нагрева достигается за счет повышения резонансного напряжения на рабочей катушке в последовательно-резонансной схеме при поддержании тока через катушку (и инвертор) на разумном уровне.

Такое расположение обычно используется в таких устройствах, как рисоварки, где уровень мощности низкий, а инвертор расположен рядом с нагреваемым объектом. Основные недостатки последовательного резонансного устройства заключаются в том, что инвертор должен проводить тот же ток, что и рабочая катушка. В дополнение к этому повышение напряжения из-за последовательного резонанса может стать очень заметным, если в рабочей катушке нет детали значительного размера для демпфирования цепи. Это не проблема в таких приложениях, как рисоварки, где заготовкой всегда является одна и та же посуда для приготовления пищи, и ее свойства хорошо известны во время проектирования системы.

Резервуарные конденсаторы обычно рассчитаны на высокое напряжение из-за повышения резонансного напряжения в последовательно настроенном резонансном контуре. Он также должен проводить полный ток рабочей катушки, хотя обычно это не проблема в маломощных приложениях.

 

Параллельный резонансный контур

Рабочая катушка приводится в резонанс на заданной рабочей частоте с помощью конденсатора, размещенного параллельно с ней. Это приводит к тому, что ток через рабочую катушку становится синусоидальным. Параллельный резонанс также увеличивает ток через рабочую катушку, намного превышающий выходной ток инвертора. Инвертор видит синусоидальный ток нагрузки. Однако в этом случае он должен нести только ту часть тока нагрузки, которая фактически выполняет реальную работу. Инвертор не должен проводить полный циркулирующий ток в рабочей катушке. Это очень важно, поскольку коэффициенты мощности в системах индукционного нагрева обычно невелики. Это свойство параллельного резонансного контура позволяет в десятки раз уменьшить ток, который должен поддерживаться инвертором и проводами, соединяющими его с рабочей катушкой. Потери проводимости обычно пропорциональны квадрату тока, поэтому десятикратное снижение тока нагрузки представляет собой значительную экономию потерь проводимости в инверторе и связанной с ним проводке. Это означает, что рабочая катушка может быть размещена в удаленном от инвертора месте без значительных потерь в питающих проводах.

Рабочие катушки, использующие эту технику, часто состоят всего из нескольких витков толстого медного проводника, но с протекающими большими токами во многие сотни или тысячи ампер. (Это необходимо, чтобы получить необходимые ампер-обороты для индукционного нагрева.) Водяное охлаждение является общим для всех систем, кроме самых маленьких. Это необходимо для отвода избыточного тепла, выделяемого при прохождении большого высокочастотного тока через рабочую катушку и связанный с ней накопительный конденсатор.

В схеме с параллельным резонансным резервуаром рабочую катушку можно рассматривать как индуктивную нагрузку с подключенным к ней конденсатором для «коррекции коэффициента мощности». Конденсатор PFC обеспечивает поток реактивного тока, равный и противоположный большому индуктивному току, потребляемому рабочей катушкой. Главное, что нужно помнить, это то, что этот огромный ток локализован в рабочей катушке и ее конденсаторе и просто представляет собой реактивную мощность, колеблющуюся туда-сюда между ними. Поэтому единственный реальный ток, протекающий от инвертора, — это относительно небольшая величина, необходимая для преодоления потерь в конденсаторе «PFC» и рабочей катушке. В этой цепи резервуара всегда есть некоторые потери из-за диэлектрических потерь в конденсаторе и скин-эффекта, вызывающих резистивные потери в конденсаторе и рабочей катушке. Поэтому от инвертора всегда отводится небольшой ток даже при отсутствии обрабатываемой детали. Когда деталь с потерями вставляется в рабочую катушку, это демпфирует параллельный резонансный контур, вводя дополнительные потери в систему. Поэтому ток, потребляемый параллельным контуром резонансного резервуара, увеличивается, когда в катушку вводится заготовка.

 

Согласование импеданса

Или просто «Согласование». Это относится к электронике, которая находится между источником высокочастотной мощности и рабочей катушкой, которую мы используем для нагрева. Чтобы нагреть твердый кусок металла с помощью индукционного нагрева, нам нужно вызвать ОГРОМНЫЙ ток, протекающий по поверхности металла. Однако это можно сравнить с инвертором, который генерирует мощность высокой частоты. Инвертор обычно работает лучше (и его конструкция несколько проще), если он работает при достаточно высоком напряжении, но при малом токе. (Обычно проблемы возникают в силовой электронике, когда мы пытаемся включать и выключать большие токи за очень короткое время.) Увеличение напряжения и уменьшение тока позволяет использовать полевые МОП-транзисторы (или быстрые IGBT) с обычным режимом переключения. Сравнительно низкие токи делают инвертор менее чувствительным к проблемам компоновки и паразитной индуктивности. Работа согласующей сети и самой рабочей катушки заключается в преобразовании высокого напряжения/малотока от инвертора в низковольтный/сильный ток, необходимый для эффективного нагрева заготовки.

Мы можем думать о контуре резервуара, включающем рабочую катушку (Lw) и его конденсатор (Cw), как о параллельном резонансном контуре. Имеет сопротивление (R) из-за того, что заготовка с потерями соединена с рабочей катушкой из-за магнитной связи между двумя проводниками. См. схему напротив.

На практике сопротивление рабочей катушки, сопротивление накопительного конденсатора и отраженное сопротивление детали вносят потери в колебательную цепь и гасят резонанс. Поэтому полезно объединить все эти потери в одно «сопротивление потерям». В случае параллельного резонансного контура это сопротивление потерь проявляется непосредственно в колебательном контуре в нашей модели. Это сопротивление представляет собой единственный компонент, который может потреблять реальную мощность, и поэтому мы можем думать об этом сопротивлении потерь как о нагрузке, на которую мы пытаемся эффективно направить мощность.

При работе в резонансе ток, потребляемый накопительным конденсатором и рабочей катушкой, равен по величине и противоположен по фазе и, следовательно, компенсирует друг друга, если речь идет об источнике питания. Это означает, что единственной нагрузкой, воспринимаемой источником питания на резонансной частоте, является сопротивление потерь в цепи резервуара.   (Обратите внимание, что при возбуждении по обе стороны от резонансной частоты в токе появляется дополнительная «несинфазная» составляющая, вызванная неполной компенсацией тока рабочей катушки и тока накопительного конденсатора. Этот реактивный ток увеличивает общая величина тока, потребляемого от источника, но не способствует какому-либо полезному нагреву заготовки.)

Задача согласующей цепи состоит в том, чтобы просто преобразовать это относительно большое сопротивление потерь в цепи резервуара до более низкого значения, которое лучше подходит для инвертора, пытающегося управлять им. Существует множество различных способов добиться этого преобразования импеданса, включая отвод от рабочей катушки, использование ферритового трансформатора, емкостного делителя вместо накопительного конденсатора или согласующей схемы, такой как L-образная схема.

В случае сети с L-образным соответствием можно преобразовать относительно высокое сопротивление нагрузки цепи резервуара до значения около 10 Ом, что лучше подходит для инвертора. Эта цифра типична для того, чтобы инвертор работал от нескольких сотен вольт, сохраняя при этом токи на среднем уровне, чтобы можно было использовать стандартные импульсные полевые МОП-транзисторы для выполнения операции переключения. Сеть L-match состоит из компонентов Lm и Cm, показанных напротив.

Сеть L-match имеет несколько весьма полезных свойств в этом приложении. Катушка индуктивности на входе в L-образную схему представляет собой постепенно увеличивающееся индуктивное сопротивление на всех частотах выше резонансной частоты колебательного контура. Это очень важно, когда рабочая катушка должна питаться от инвертора источника напряжения, который генерирует выходное напряжение прямоугольной формы. Вот объяснение того, почему это так…

Прямоугольное напряжение, генерируемое большинством полумостовых и полномостовых схем, богато высокочастотными гармониками, а также необходимой основной частотой. Прямое подключение такого источника напряжения к параллельному резонансному контуру приведет к протеканию чрезмерных токов на всех гармониках частоты привода! Это связано с тем, что емкостной конденсатор в параллельном резонансном контуре будет иметь все более низкое емкостное сопротивление к возрастающим частотам. Это потенциально очень опасно для инвертора источника напряжения. Это приводит к большим всплескам тока на переходах переключения, поскольку инвертор пытается быстро зарядить и разрядить накопительный конденсатор на нарастающих и спадающих фронтах прямоугольной волны. Включение сети L-match между инвертором и контуром бака снимает эту проблему. Теперь на выходе инвертора сначала наблюдается индуктивное сопротивление Lm в согласующей цепи, а все гармоники формы сигнала возбуждения видят постепенно возрастающий индуктивный импеданс. Это означает, что максимальный ток течет только на заданной частоте, а ток гармоник небольшой, что превращает ток нагрузки инвертора в плавную форму волны.

Наконец, при правильной настройке сеть L-match способна обеспечить небольшую индуктивную нагрузку на инвертор. Этот слегка отстающий ток нагрузки инвертора может облегчить переключение при нулевом напряжении (ZVS) полевых МОП-транзисторов в инверторном мосту. Это значительно снижает потери при включении из-за выходной емкости полевых МОП-транзисторов, работающих при высоких напряжениях. Общий результат — меньший нагрев полупроводников и увеличение срока службы.

Таким образом, включение L-образной сети между инвертором и параллельным контуром резонансного резервуара позволяет достичь двух целей.

1. Согласование импеданса, чтобы от инвертора к заготовке могла подаваться необходимая мощность.
2. Представление возрастающего индуктивного сопротивления высокочастотным гармоникам для обеспечения безопасности инвертора.

Глядя на предыдущую схему выше, мы видим, что конденсатор в согласующей цепи (Cm) и накопительный конденсатор (Cw) включены параллельно. На практике обе эти функции обычно выполняются одним силовым конденсатором специальной конструкции. Большую часть его емкости можно представить как находящуюся в параллельном резонансе с рабочей катушкой, а небольшая ее часть обеспечивает согласование импеданса с согласующей катушкой индуктивности (Lm). Объединение этих двух емкостей в одну приводит нас к модели LCLR для расположение рабочей катушки, которое обычно используется в промышленности для индукционного нагрева.

 

Рабочая катушка LCLR

Эта схема инвертора включает рабочую катушку и L-образную схему в параллельную резонансную цепь. Согласующая цепь используется для того, чтобы цепь бака выглядела как более подходящая нагрузка для инвертора, и ее вывод обсуждается в разделе выше.

Рабочая катушка LCLR обладает рядом преимуществ:

1. В рабочей катушке протекает огромный ток, но инвертор должен подавать лишь небольшой ток. Большой циркулирующий ток ограничивается рабочей катушкой и ее параллельным конденсатором, которые обычно расположены очень близко друг к другу.
2. По линии передачи от инвертора к контуру бака протекает сравнительно небольшой ток, поэтому можно использовать более легкий кабель.
3. Любая паразитная индуктивность линии передачи просто становится частью индуктивности согласующей сети (Lm.) Поэтому тепловая станция может располагаться вдали от инвертора.
4. Инвертор воспринимает синусоидальный ток нагрузки, поэтому он может использовать ZCS или ZVS для снижения коммутационных потерь и, следовательно, для охлаждения.
5. Серийный согласующий индуктор может быть изменен для работы с различными нагрузками внутри рабочей катушки.
6. Цепь бака может питаться через несколько согласующих катушек индуктивности от многих инверторов для достижения уровней мощности выше тех, которые достижимы с одним инвертором. Согласующие катушки индуктивности обеспечивают естественное распределение тока нагрузки между инверторами, а также делают систему устойчивой к некоторым рассогласованиям моментов переключения параллельно включенных инверторов.

Для получения дополнительной информации о поведении резонансной сети LCLR см. новый раздел ниже с пометкой «Частотная характеристика сети LCLR».

Еще одним преимуществом схемы рабочей катушки LCLR является то, что она не требует высокочастотного трансформатора для обеспечения функции согласования импеданса. Ферритовые трансформаторы, способные работать с несколькими киловаттами, большие, тяжелые и довольно дорогие. В дополнение к этому трансформатор необходимо охлаждать, чтобы отводить избыточное тепло, выделяемое большими токами, протекающими в его проводниках. Включение сети L-согласования в расположение рабочей катушки LCLR устраняет необходимость в трансформаторе для согласования инвертора с рабочей катушкой, что снижает затраты и упрощает конструкцию. Тем не менее, проектировщик должен учитывать, что между инвертором и входом в рабочую катушку LCLR может потребоваться изолирующий трансформатор 1:1, если необходима гальваническая изоляция от сети питания. Это зависит от того, важна ли изоляция и обеспечивает ли основной блок питания индукционного нагревателя достаточную электрическую изоляцию для выполнения этих требований безопасности.

 

Концептуальная схема

На приведенной ниже схеме системы показан простейший инвертор, управляющий рабочей катушкой LCLR.

Обратите внимание, что на этой схеме НЕ ПОКАЗАНЫ схема управления затвором МОП-транзистора и управляющая электроника!

Инвертор в этом демонстрационном прототипе представлял собой простой полумост, состоящий из двух полевых МОП-транзисторов MTW14N50, сделанных моим полупроводником (ранее Motorola). Он питается от сглаженного источника постоянного тока с развязывающим конденсатором по шинам для поддержки требований по переменному току. инвертора. Однако следует понимать, что качество и регулировка источника питания для приложений индукционного нагрева не имеют решающего значения. Полноволновая выпрямленная (но несглаженная) сеть может работать так же, как сглаженный и регулируемый постоянный ток, когда речь идет о нагреве металла, но пиковые токи выше при той же средней мощности нагрева. Существует множество аргументов в пользу минимизации размера конденсатора звена постоянного тока. В частности, он улучшает коэффициент мощности тока, потребляемого от сети через выпрямитель, а также минимизирует накопленную энергию в случае неисправности в инверторе.

Конденсатор блокировки постоянного тока используется только для того, чтобы не допустить, чтобы выход постоянного тока полумостового инвертора вызывал протекание тока через рабочую катушку. Он имеет достаточно большой размер, чтобы не участвовать в согласовании импеданса и не оказывать неблагоприятного воздействия на работу рабочей катушки LCLR.

 

В конструкциях высокой мощности обычно используется полный мост (H-мост) из 4 или более коммутационных устройств. В таких конструкциях согласующая индуктивность обычно делится поровну между двумя ветвями моста, чтобы формы сигналов управляющего напряжения были сбалансированы по отношению к земле. Конденсатор, блокирующий постоянный ток, также может быть устранен, если используется управление режимом тока, чтобы гарантировать, что чистый постоянный ток не течет между ветвями моста. (Если обеими ветвями H-моста можно управлять независимо, тогда есть возможность управления пропускной способностью с помощью управления фазовым сдвигом. Дополнительные сведения см. в пункте 6 в разделе «Методы управления мощностью» ниже.)

 

При еще более высоких мощностях можно использовать несколько отдельных инверторов, эффективно соединенных параллельно, чтобы удовлетворить высокие требования к току нагрузки. Однако отдельные инверторы не соединены напрямую параллельно на выходных клеммах своих H-мостов. Каждый из распределенных инверторов подключен к удаленной рабочей катушке через собственную пару согласующих катушек индуктивности, которые обеспечивают равномерное распределение общей нагрузки между всеми инверторами.

Эти согласующие катушки индуктивности также обеспечивают ряд дополнительных преимуществ при таком параллельном подключении инверторов. Во-первых, импеданс МЕЖДУ любыми двумя выходами инвертора равен удвоенному значению соответствующей индуктивности. Этот индуктивный импеданс ограничивает ток между включенными инверторами, если их моменты переключения не полностью синхронизированы. Во-вторых, такое же индуктивное сопротивление между инверторами ограничивает скорость, с которой увеличивается ток короткого замыкания, если один из инверторов выходит из строя, что потенциально исключает отказ других устройств. Наконец, поскольку все распределенные инверторы уже подключены через катушки индуктивности, любая дополнительная индуктивность между инверторами просто добавляет к этому импедансу и лишь немного ухудшает распределение тока. Поэтому распределенные инверторы для индукционного нагрева не обязательно должны располагаться физически близко друг к другу. Если в конструкцию включены изолирующие трансформаторы, то они даже не должны работать от одного и того же источника питания!

 

Отказоустойчивость

Конструкция рабочей катушки LCLR очень хорошо себя ведет при различных возможных неисправностях.

1. Рабочая катушка с открытым контуром.
2. Короткое замыкание рабочей катушки (или накопительного конденсатора).
3. Короткое замыкание рабочей катушки.
4. Конденсатор бака разомкнутой цепи.

Все эти отказы приводят к увеличению импеданса инвертора и, следовательно, к соответствующему падению тока, потребляемого инвертором. Автор лично использовал отвертку для короткого замыкания между витками рабочей катушки с током в несколько сотен ампер. Несмотря на то, что в месте приложенного короткого замыкания летят искры, нагрузка на инвертор снижается, и система легко переносит это обращение.

Худшее, что может случиться, это расстройка контура бака, так что его собственная резонансная частота окажется чуть выше рабочей частоты инвертора. Поскольку частота привода все еще близка к резонансу, через инвертор все еще протекает значительный ток. Но из-за расстройки коэффициент мощности снижается, и инвертор по току нагрузки начинает опережать напряжение. Эта ситуация нежелательна, потому что ток нагрузки, воспринимаемый инвертором, меняет направление до изменения приложенного напряжения. Результатом этого является принудительная коммутация тока между безынерционными диодами и оппозитным МОП-транзистором каждый раз, когда МОП-транзистор включается. Это вызывает принудительное обратное восстановление безынерционных диодов, в то время как они уже проводят значительный прямой ток. Это приводит к большому скачку тока как через диод, так и через оппозитный МОП-транзистор, который включается.

Хотя это не проблема для специальных выпрямителей с быстрым восстановлением, это принудительное восстановление может вызвать проблемы, если для обеспечения функции обратного диода используются внутренние диоды MOSFET. Эти большие пики тока по-прежнему представляют собой значительную потерю мощности и угрозу надежности. Однако следует понимать, что надлежащее управление рабочей частотой инвертора должно гарантировать, что он отслеживает резонансную частоту колебательного контура. Следовательно, в идеале не должно возникать условие опережающего коэффициента мощности, и уж точно оно не должно сохраняться в течение какого-либо промежутка времени. Резонансную частоту следует отследить до ее предела, а затем отключить систему, если она вышла за пределы допустимого частотного диапазона.

 

Методы управления мощностью

Часто желательно контролировать количество энергии, обрабатываемой индукционным нагревателем. Это определяет скорость, с которой тепловая энергия передается заготовке. Установкой мощности индукционного нагревателя этого типа можно управлять несколькими различными способами:

 

1. Изменение напряжения звена постоянного тока.

Мощность, обрабатываемая инвертором, может быть уменьшена за счет уменьшения напряжения питания инвертора. Это можно сделать, запустив инвертор от источника постоянного тока переменного напряжения, такого как управляемый выпрямитель, использующий тиристоры для изменения напряжения источника постоянного тока, полученного от сети. Импеданс, подаваемый на инвертор, в значительной степени постоянен при изменении уровня мощности, поэтому пропускная способность инвертора примерно пропорциональна квадрату напряжения питания. Изменение напряжения в звене постоянного тока позволяет полностью контролировать мощность от 0% до 100%.

Однако следует отметить, что точная пропускная способность в киловаттах зависит не только от постоянного напряжения питания инвертора, но и от импеданса нагрузки, который рабочая катушка представляет инвертору через согласующую сеть. Поэтому, если требуется точное регулирование мощности, необходимо измерить фактическую мощность индукционного нагрева, сравнить ее с запрошенной оператором «настройкой мощности» и подать обратно сигнал ошибки для постоянной регулировки напряжения в звене постоянного тока по замкнутому контуру для минимизации ошибки. . Это необходимо для поддержания постоянной мощности, поскольку сопротивление заготовки значительно изменяется при ее нагревании. (Этот аргумент в пользу управления мощностью с обратной связью также применим ко всем нижеследующим методам. )

 

2. Изменение коэффициента заполнения устройств в инверторе.

Мощность, обрабатываемая инвертором, может быть уменьшена за счет уменьшения времени включения переключателей в инверторе. Питание подается на рабочую катушку только в то время, когда устройства включены. Затем ток нагрузки свободно проходит через диоды корпуса устройства в течение мертвого времени, когда оба устройства выключены. Изменение коэффициента заполнения переключателей позволяет полностью контролировать мощность от 0% до 100%. Однако существенным недостатком этого метода является коммутация больших токов между активными устройствами и их безынерционными диодами. Принудительное обратное восстановление обратных диодов, которое может произойти при значительном уменьшении коэффициента заполнения. По этой причине регулирование коэффициента заполнения обычно не используется в инверторах индукционного нагрева большой мощности.

 

3. Изменение рабочей частоты инвертора.

Мощность, подаваемая инвертором на рабочую катушку, может быть уменьшена путем отстройки инвертора от собственной резонансной частоты контура резервуара, включающего рабочую катушку. По мере того, как рабочая частота инвертора удаляется от резонансной частоты колебательного контура, в колебательном контуре возникает меньше резонансного подъема, и ток в рабочей катушке уменьшается. Следовательно, в заготовке индуцируется меньший циркулирующий ток, и эффект нагрева уменьшается.

Для снижения пропускной способности инвертор обычно расстраивается по верхней стороне собственной резонансной частоты цепей резервуара. Это приводит к тому, что индуктивное сопротивление на входе согласующей цепи становится все более доминирующим по мере увеличения частоты. Поэтому ток, потребляемый от инвертора согласующей сетью, начинает отставать по фазе и уменьшаться по амплитуде. Оба эти фактора способствуют снижению реальной пропускной способности. В дополнение к этому запаздывающий коэффициент мощности гарантирует, что устройства в инверторе по-прежнему включаются с нулевым напряжением на них, и нет проблем с восстановлением диода свободного хода. (Это можно сравнить с ситуацией, которая произошла бы, если бы инвертор был расстроен на нижней стороне резонансной частоты рабочей катушки. ZVS теряется, и диоды обратного хода испытывают принудительное обратное восстановление при значительном токе нагрузки.)

Этот метод управления уровнем мощности путем расстройки очень прост, так как большинство индукционных нагревателей уже контролируют рабочую частоту инвертора, чтобы обеспечить работу с различными заготовками и рабочими катушками. Недостатком является то, что он обеспечивает только ограниченный диапазон управления, поскольку существует предел скорости переключения силовых полупроводников. Это особенно верно в приложениях с высоким энергопотреблением, где устройства уже могут работать на скоростях, близких к максимальным. Системы большой мощности, использующие этот метод управления мощностью, требуют подробного теплового анализа результатов коммутационных потерь при различных уровнях мощности, чтобы гарантировать, что температура устройств всегда остается в допустимых пределах.

Более подробную информацию об управлении мощностью с помощью расстройки см. в новом разделе ниже, озаглавленном «Частотная характеристика сети LCLR».

 

4. Варьирование номинала катушки индуктивности в согласующей цепи.

Мощность, подаваемая инвертором на рабочую катушку, может варьироваться путем изменения значения соответствующих компонентов сети. Сеть L-согласования между инвертором и контуром резервуара технически состоит из индуктивной и емкостной частей. Но емкостная часть находится параллельно собственному накопительному конденсатору рабочей катушки, и на практике это обычно одна и та же часть. Поэтому единственная часть согласующей цепи, которую можно настроить, — это индуктор.

Согласующая цепь отвечает за преобразование импеданса нагрузки рабочей катушки в подходящий импеданс нагрузки, который будет управляться инвертором. Изменение индуктивности согласующего индуктора регулирует значение, в которое преобразуется импеданс нагрузки. В общем, уменьшение индуктивности согласующего индуктора приводит к преобразованию импеданса рабочей катушки в более низкий импеданс. Этот более низкий импеданс нагрузки, подаваемый на инвертор, приводит к тому, что от инвертора поступает больше энергии. И наоборот, увеличение индуктивности согласующей катушки индуктивности приводит к тому, что на инвертор подается более высокий импеданс нагрузки. Эта более легкая нагрузка приводит к меньшему потоку мощности от инвертора к рабочей катушке.

Степень регулирования мощности, достижимая путем изменения согласующей катушки индуктивности, умеренная. Также происходит сдвиг резонансной частоты всей системы — это цена, которую приходится платить за объединение емкости L-матча и емкости резервуара в одну единицу. Сеть L-согласования по существу заимствует часть емкости у накопительного конденсатора для выполнения операции согласования, таким образом оставляя накопительную цепь резонировать на более высокой частоте. По этой причине согласующий индуктор обычно фиксируется или регулируется с грубыми шагами в соответствии с предполагаемой нагреваемой деталью, а не предоставляет пользователю полностью регулируемую настройку мощности.

 

5. Согласующий трансформатор полного сопротивления.

Мощность, подаваемая инвертором на рабочую катушку, может изменяться с грубыми шагами с помощью силового ВЧ-трансформатора с ответвлениями для преобразования импеданса. Хотя основное преимущество схемы LCLR заключается в отказе от громоздкого и дорогого ферритового силового трансформатора, она может учитывать большие изменения параметров системы, не зависящие от частоты. Ферритовый силовой трансформатор также может обеспечивать электрическую изоляцию, а также выполнять функцию преобразования импеданса для установки пропускной способности.

Кроме того, если ферритовый силовой трансформатор размещается между выходом инвертора и входом L-образной схемы, его конструктивные ограничения ослабляются во многих отношениях. Во-первых, размещение трансформатора в таком положении означает, что полное сопротивление обеих обмоток относительно велико. то есть напряжения высоки, а токи сравнительно малы. Для этих условий проще сконструировать обычный силовой ферритовый трансформатор. Массивный циркулирующий ток в рабочей катушке удерживается от ферритового трансформатора, что значительно снижает проблемы с охлаждением. Во-вторых, несмотря на то, что трансформатор воспринимает выходное напряжение прямоугольной формы от инвертора, его обмотки несут синусоидальные токи. Отсутствие высокочастотных гармоник снижает нагрев трансформатора за счет скин-эффекта и эффекта близости внутри проводников.

Наконец, конструкция трансформатора должна быть оптимизирована для обеспечения минимальной межобмоточной емкости и хорошей изоляции за счет увеличения индуктивности рассеяния. Причина этого в том, что любая индуктивность рассеяния трансформатора, расположенного в этом положении, просто добавляется к согласующей индуктивности на входе схемы L-согласования. Следовательно, индуктивность рассеяния в трансформаторе не так вредна для производительности, как межобмоточная емкость.

 

6. Управление фазовым сдвигом Н-моста.

Когда рабочая катушка приводится в действие полномостовым (Н-мостовым) инвертором с питанием от напряжения, существует еще один метод достижения контроля мощности.