Индукционный нагреватель на тиристорах схема

Индукционный нагреватель на тиристорах схема

Принципиальные электросхемы, подключение устройств и распиновка разъёмов

Вот проект индукционного нагревателя металлов простейшей конструкции, он собран по схеме мультивибратора и часто выступает как первый нагреватель, который делают радиолюбители.

Принцип действия ТВЧ установки

Катушка создает высокочастотное магнитное поле, и в металлическом предмете в середине катушки возникают вихревые токи, которые будут его разогревать. Даже маленькие катушки раскачивают ток около 100 A, поэтому параллельно с катушкой, подключена резонансная емкость, которая компенсирует ее индукционный характер. Схема катушка-конденсатор должна работать на их резонансной частоте.

ТВЧ катушка самодельная

Схема принципиальная электрическая

Вот оригинальная схема генератора индукционного нагревателя, а ниже неё чуть изменённый вариант, по которому и была собрана конструкция мини ТВЧ установки. Ничего дефицитного тут нет — купить придётся только полевые транзисторы, использовать можно BUZ11, IRFP240, IRFP250 или IRFP460. Конденсаторы специальные высоковольтные, а питание будет от автомобильного аккумулятора 70 А/ч — он будет очень хорошо держать ток.

Проект на удивление оказался успешным — всё заработало, хоть и собрано было «на коленке» за час. Особенно порадовало что не требует сеть 220 В — авто аккумуляторы позволяют питать её хоть в полевых условиях (кстати, может из неё походную микроволновку сделать?). Можно поэкспериментировать в направлении чтобы снизить напряжение питания до 4-8 В как от литиевых АКБ (для миниатюризации) с сохранением хорошей эффективности нагрева. Массивные металлические предметы конечно плавить не получится, но для мелких работ пойдёт.

Ток потребления от источника питания 11 А, но после прогрева падает до примерно 7 A, потому что сопротивление металла при нагреве заметно увеличивается. И не забудьте сюда использовать толстые провода, способные выдержать более 10 А тока, иначе провода при работе станут горячие.

Нагрев отвертки до синего цвета ТВЧ Нагрев ножа ТВЧ

Второй вариант схемы — с питанием от сети

Чтоб удобнее настраивать резонанс можно собрать более совершенную схему с драйвером IR2153. Рабочая частота настраивается регулятором 100к в резонанс. Частотами можно управлять в диапазоне примерно 20 — 200 кГц. Схема управления нуждается в вспомогательном напряжении 12-15 В от сетевого адаптера, а силовая часть через диодный мост может быть подключена напрямую к сети 220 В. Дроссель имеет около 20 витков 1,5 мм на ферритовом сердечнике 8×10 мм.

Схема индукционного нагревателя от сети 220В

Рабочая катушка ТВЧ должна быть из толстой проволоки или лучше медной трубки, и имеет около 10-30 витков на оправке 3-10 см. Конденсаторы 6 х 330n 250V. И то, и другое через некоторое время сильно нагревается. Резонансная частота около 30 кГц. Эта самодельная установка индукционного нагрева собрана в пластиковом корпусе и работает уже более года.

По медной петле – индуктору – пропускается электрический ток большой силы (сотни ампер) и большой частоты (десятки – сотни кГц). В результате в металлической заготовке, стоящей внутри индуктора или рядом с ним, наводятся токи Фуко, тоже большой силы и частоты. Высокочастотный ток в заготовке под действием скин-эффекта вытесняется в тонкие поверхностные слои, в результате чего его плотность резко возрастает. Слой заготовки, по которому протекают большие токи, начинает быстро разогреваться. Температура может достичь нескольких тысяч градусов, что позволяет плавить металл в домашних условиях, придумывать и создавать свои собственные необычные сплавы; сваривать и паять металлические детали; закаливать отвёртки, свёрла, ножи и так далее, применять установку в кузнечных и ремонтных мастерских.

Индукционный нагрев позволяет разогревать электропроводящие материалы (любой металл, графит, электропроводную керамику) бесконтактно. Прямо через воздух, через слой воды, через стеклянную, деревянную или пластиковую стенку, в вакуумной камере или в камере с защитным газом. При этом заготовка остаётся идеально чистой, так как не окисляется в газовой струе, не касается грязной поверхности печки и т п.

За основу был взят инвертор Сергея Владимировича Кухтецкого, разработанны й в Институте химии. Схема инвертора, её подробное описание и рекомендации по сборке опубликованы по адресу: www.icct.ru В схеме применены современные электронные компоненты, что позволяет собрать мощный и надёжный инвертор в домашних условиях за небольшую цену порядка нескольких тысяч рублей (цены на промышленные аналоги достигают десятков и сотен тысяч руб).

На форуме induction.listbb.ru совместными усилиями с форумчанами Derba, Феникс, Jab, Фулюган, Ostap, -CE- проведена до работка схемы, установлена дополнительная плата фазовой автоподстройки частоты ФАПЧ для автоматического удержания резонанса, установлена скоростная защита от превышения тока (как при превышении питания, так и в результате пробоя силовых мосфетов из-за их перегрева или сбоя модуля управления). Добавлены некоторые детали, уменьшающие вероятность перегрева мосфетов и сбоя модуля управления (приводящие к появлению сквозных токов в силовом мосте).

• Потребляемая мощность инвертора в зависимости от применяемых индукторов: 1. 4 кВт.
• Частота тока в индукторе: 300 кГц.
• Сила тока в индукторе:

400А.
• Максимальный потребляемый от сети ток при двухвитковом индукторе – 20А, потребляемое напряжение – 220V.

Индукционной нагреватель снабжён защитой, отключающей схему при превышении напряжения питания, при коротком замыкании индуктора, при заливании индуктора водой.

Схемы и обсуждение доработок смотрите на форуме: induction.listbb.ru здесь и здесь

Видео – плавление низкоуглеродистой стали (гайки) на воздухе:

Видео – плавление высокоуглеродистой стали (шарик от подшипника из стали ШХ-15):

Видео – плавление низкоуглеродистой стали в защитном газе (аргоне):

Видео – нагрев стального шарика через слой воды. Возможность нагрева железяк через слой воды интересна, вода электромагнитному полю не помеха

Мощное высокочастотное электромагнитное поле выталкивает железные заготовки из индуктора. С одной стороны это создаёт проблемы – сложно греть мелкие заготовки, их выносит из индуктора прочь и приходится их как-то закреплять (так называемый эффект электромагнитного дутья).
С другой стороны, можно плавить металл в подвешенном состоянии – (левитационная плавка, плавка в электромагнитном тигле):

Читайте также:  Яблоня с длинными плодами

Доработка инвертора для индукционного нагрева.

Метод бесконтактного нагрева жидкометаллических образцов токами высокой частоты в вакууме или защитном газе является оптимальным для экспериментов с мелкими образцами электропроводящих материалов.

Промышленные инверторы высокой частоты не обладают нужными для проведения эксперимента характеристиками (высокой мощностью при высокой частоте, необходимой для нагрева мелких образцов), в связи с чем был изготовлен самодельный инвертор. За основу был принят инвертор, разработанный Сергеем Кухтецким в Институте химии и химической технологии РАН, работающий следующим образом.
Индуктор для нагрева образцов, представляющий собой катушку колебательного контура совместно с компенсирующий батареей конденсаторов, накачивается от независимо работающего генератора высокой частоты.

Генератор выполнен по схеме полный мост, его частота автоматически подстраивается под собственную частоту колебательного контура вручную и не может изменяться во время работы. Предлагаемый инвертор не имеет схемы защиты силовых транзисторов от сквозных токов и схемы управления мощностью нагрева (Рис.1).

Рис.1. Блок-схема простого инвертора для индукционного нагрева.

Эксплуатация данного простого инвертора выявило следующие проблемы. В результате нагрева образца, а также в результате движения образца в индукторе происходит изменение индуктивности, входящей в состав колебательного контура, и изменению его собственной частоты. Поскольку частота работы инвертора задается генератором с неизменяемой во время работы частотой, рассогласование частот колебательного контура и генератора приводит к резкому падению мощности нагрева, вибрациям заготовки в индукторе, а также выходу силовых транзисторов на неоптимальный режим работы в емкостном режиме, что приводит к выходу их из строя.

Для решения указанных проблем инвертор был дооборудован схемой фазовой автоподстройки частоты ФАПЧ, схемой скоростной защиты силовых транзисторов от превышения тока и импульсным регулятором мощности с управлением от ПК. Схемы защиты и регулирования мощности выполнены в виде отдельных модулей и могут применяться для иных задач.

Схема ФАПЧ состоит из генератора с изменяемой частотой, датчика тока, датчика напряжения, регулируемой линии задержки, формирователя управляющих импульсов для силового моста. Датчики тока и напряжения измеряют соответствующие величины на колебательном контуре, после чего производится сравнение их фаз. Нулевой сдвиг фаз означает синхронную работу колебательного контура на собственной частоте и задающего генератора. В случае сдвига фаз задающий генератор автоматически корректирует частоту, подстраивая ее под собственную частоту колебательного контура (Рис.2). Электрическая схема доработанного инвертора приведена на Рис.5.

Настройка диапазона слежения ФАПЧ, порядок действий:

Необходимо определить собственную частоту колебательного контура, например, следующим образом.

1) Снять с шин колебательного контура согласующий трансформатор.

2) Подсоединить к шинам, соединяющим индуктор с батареей конденсаторов, осциллограф.

3) Настроить осциллограф в режим ожидания (в режим одиночного измерения Trigger).

4) Кратковременно коснуться шин колебательного контура батарейкой (чем большего напряжения, тем лучше, например «Крона»). На экране появится "дребезг" – собственные колебания контура (аналог – звенящий на собственных частотах стакан, по которому ударили ложкой). При необходимости провести данную процедуру несколько раз о получения устойчивой картины на экране осциллографа.

Период собственных колебаний измеряется по сетке осциллографа, далее по формуле f = 1 / период, вычисляется собственная частота колебательного контура.

Настройка диапазона работы ФАПЧ проводится следующим образом.

1) К выходу микросхемы фапч-генератора CD4046 подсоединяется осциллограф (4 нога).

2) Задать минимальную частоту работы генератора CD4046. Для этого плюс источника питания напряжением 1 вольт (например подсевшая батарейка) подсоединить к ноге 9 микросхемы CD4046, минус источника питания подсоединить к общей шине.

3) Выставить минимальную частоту вращением потенциометра на ноге 12 микросхемы CD4046 на 30-50 кГц ниже собственной частоты колебательного контура (диапазон подбирается опытным путём для надёжного подхватывания ФАПЧ).

4) Задать максимальную частоту работы генератора CD4046. Для этого плюс источника питания напряжением 4.5 вольта (например три батарейки) подсоединить к ноге 9 микросхемы CD4046, минус источника питания подсоединить к общей шине.

5) Вращением потенциометра на ноге 11 микросхемы CD4046 задать частоту на 30-50 кГц выше собственной.

В результате проделанных операций инвертор автоматически стартует с подхватыванием резонанса и удерживает его в процессе работы.

Подбор витков согласующего трансформатора.

1) Наматываем согласующий трансформатор на глазок (например 20 витков).

2) Поключаем инвертор к ЛАТРу. Постепенно повышаем напряжение. Измеряем напряжение на ЛАТРе и потребляемый инвертором ток амперметром.

3) Необходимо добиться максимальной мощности инвертора – при напряжении на ЛАТРе 220 вольт ток должен быть максимальным для транзисторов данного типа.

4) Если потребляемый ток велик, а напряжение на ЛАТРе всё еще маленькое – доматываем несколько витков.

5) Если потребляемый ток мал, а напряжение на ЛАТРе уже велико – сматываем несколько витков.

Рис.2. Блок-схема инвертора для индукционного нагрева с ФАПЧ.

Модуль защиты состоит из выполненного на шунте датчика тока, схемы фиксации превышения тока с настройкой порога срабатывания и схемы отключения питания. Питание подводится к инвертору через шунт. В момент превышения тока на шунте фиксируется превышение падения напряжения, что приводит к перебрасыванию триггера и подаче сигнала запирания на силовой транзистор (Рис.3). Электрическая схема модуля защиты приведена на Рис.6.

Рис.3. Блок-схема модуля скоростной защиты.

Видео – срабатывание модуля скоростной защиты:

Импульсный регулятор мощности выполнен по схеме понижающего ШИМ-преобразователя типа step-down. Регулирование мощности осуществляется посредством изменения скважности управляющего ШИМ-сигнала. Управляющий сигнал генерируется микроконтроллером STM32F767 (готовая отладочная плата со встроенным USB-программатором). Параметры регулирования мощности задаются с компьютера через интерфейс USB, входящий в состав любого ПК, данное решение позволяет синхронизировать сбор данных и управление экспериментальной установкой (блок-схема изображена на Рис.4).

Читайте также:  Приборы для измерения переходного сопротивления контактов

Рис.4. Блок-схема импульсного регулятора мощности.

Программа микроконтроллера предусматривает как ручное (педаль, ручка энкодера), так и дистанционное управление регулятором мощности (с помощью ПК), осуществление плавного старта и стопа, стабилизации выходной мощности по току или по напряжению, индикации работы прибора. Электрическая схема импульсного регулятора мощности приведена на Рис.7.

Рис.5. Схема инвертора для индукционного нагрева образцов с фазовой автоподстройкой частоты.

Рис.6. Электрическая схема универсального скоростного прерывателя тока для защиты установки индукционного нагрева.

Рис.7. Электрическая схема универсального импульсного регулятора мощности.

Запись опубликована Dapper · 1 августа 2018

6 718 просмотров

Индукционный нагреватель представляет собой резонансный инвертор, работающий на частоте ниже резонанса. Он состоит из блока питания, платы драйверов, платы управления, согласующего трансформатора и остальных деталей которые расположены на шасси аппарата. Инвертор построен по топологии «резонанса в первичке», это уменьшает габариты, и более технологичен при изготовлении.

Основные узлы. Блок питания , который имеет четыре гальванически развязанных обмотки питания. Две- для питания драйверов, одну- для питания платы управления и силовую, для питания насоса охлаждающей жидкости, вентилятора и пускового реле. Первые три стабилизированы по 12 В, последняя не имеет стабилизации. Драйвера управляют IGBT транзисторами, включенными по два в параллель.

Согласующий трансформатор состоит из трех сложенных вместе Шобразных ферритовых сердечника Е80/38/20. На него намотана обмотка 10 витков многожильного провода 4мм2, и залита эпоксидным клеем.

Особенностью моего инвертора является то, что его рабочая частота ниже резонансной. При работе ниже резонанса, ключи открываются очень жестко, а выключаются в нуле тока. Жесткое включение обусловлено сквозными токами, избавится от которых, нет возможности, но можно значительно снизить. Для этого в цепь питания инвертора (в плюс или минус) включен гасящий дроссель Dr1, со снаббером. Он имеет очень малую индуктивность всего 0,5 мкГн, но этого хватает, чтобы в разы снизить импульсы сквозного тока. Дроссель намотан многожильным проводом, общим сечением не менее 3мм2 и имеет 6 витков намотанных на оправке 16 мм. Он залит эпоксидным клеем, так как многожильный провод не держит форму. Дроссель и его снабберная цепь, должны располагаться в зоне обдува вентилятора.

Блок управления, в основу которого, положен генератор управляемый напряжением – ГУН, входящий в состав микросхемы CD4046. А также драйвер IR2104, который преобразует однофазный сигнал CD4046 в два противофазных. Генератор управляется напряжением в ручную, и меняет частоту в диапазоне 25-50 кГц. С изменением частоты меняется мощность в индукторе. Для простоты работы с инвертором, в плату управления введена схема ограничения тока.

Вторичная обмотка согласующего трансформатора состоит из одного витка медной трубки D 6мм. Она совмещена с радиатором для ключей и имеет конструкцию единого блока, по которому прокачивается вода. Насос – автомобильный от омывателя стекол.

Узлы на фотографиях и видео могут немного не соответствовать, так как было три версии, которые не значительно отличаются схемными решениями, но в общем конструкция у всех похожа. Данная конструкция тщательно отработана, я ее считаю самой компактной и ремонто-способной.

Первая самая простая версия была опубликована на этом форуме https://www.chipmake. ost__p__3268609 С тех пор много воды утекло, менялись схемные решения. Пробовал с ФАПЧ, сама подстройка прекрасно работала, но в целом, мне не понравилось. Поэтому остановился на схеме с "ограничением тока". Все мои изыскания в этом вопросе можно посмотреть здесь http://induction.lis. p=19278#p19278 .

В чем собственно преимущество, этой версии. Первая версия имела простой задающий генератор, с возможностью управления частотой. Недостаток его в том, что нужно очень точно ( с помощью осциллографа) подгонять индуктор к инвертору, или инвертор к индуктору. А если имеются сменные индукторы, то они должны иметь одинаковую индуктивность. В принципе не так уж это и сложно, при определенном опыте. Но если на индуктор воздействовать механически, случайно, сжать или растянуть витки, то такой индуктор уже не может дать той мощности, на которую был настроен изначально, а может вообще вывести инвертор из строя. Вторая версия с ФАПЧ , позволяла менять индукторы, особо не задумываясь о его индуктивности. Но есть один нюанс. Максимальную мощность такой аппарат потреблял с ненагруженным индуктором, а когда индуктор нагружаешь, мощность падает. В конце концов, конечный результат будет тот же, но для его достижения требуется в два-три раза больше времени. Увеличение времени нагрева всегда плохо, но в двойне- при поверхностной закалке. Точнее она вряд ли возможна. Пришлось искать компромисс. И мне кажется я его нашел. Вот схема.

Эта схема похожа на ранее опубликованную здесь. http://induction.lis. p=22966#p22966

Но есть небольшие доработки в блоке управления, отказался от некоторых прибамбасов, а главное, что я гасящий дроссель, перенес в минус питания, это позволило разместить его и снаббер (конструктивно), ближе к вентилятору, что улучшило его охлаждение.

Теперь как это все работает. Начнем как всегда с питания. Блок питания на первый взгляд имеет архаичный вид, но у него есть свои преимущества. Во первых простота, второе- стабилизаторы имеют защиту по току, что помогает сохранить драйвера при пробое силовых ключей. Пробовал использовать "Обратноход",он для такой мощности(50Вт), он получается громоздкий, да и недостатков у него хватает. Обращаю внимание на систему запуска инвертора. В место традиционного пускового резистора, стоит конденсатор С10 (МБГО), в чем его преимущество? Обычно при пробое ключей пусковой резистор горит, конденсатор же может в таком состоянии находится сколь угодно долго. В момент включения инвертора в сеть через этот конденсатор начинают заряжаться электролиты фильтра С2, пока напряжение на них не достигнет 200-250В, БП не заработает, а когда заработает притянется пусковое реле, и пуск произойдет очень плавно, с задержкой 1-2 сек. Так же при пробое ключей в первую очередь выключится БП, отпустит реле, и в таком положении инвертор может находится сколь угодно долго. Даже предохранитель или автомат не успевают сработать. В свою очередь , коль нет питания, то и драйвера остаются целы.

Читайте также:  Как собрать шкаф купе фея видео

Теперь немного о хитром гасящем дросселе Dr1. Как я уже писал, режим ниже резонанса предполагает сквозные токи. От чего это происходит? Предположим у нас открылся VT1, пошла накачка контура, + пит, VT1,ТР1,Срез, Dr1, минус. Срез зарядится быстрей, чем закроется ключ VT1, и процесс пойдет в обратную сторону, то есть контур начнет отдавать энергию в источник питания. Поскольку реакция контура у нас емкостная, напряжение той же полярности, через оппозитный диод VT1 ( к сожалению забыл дорисовать) будет заряжать С2, но через какое то время откроется VT2, и получится короткое замыкание, через еще открытый оппозитный диод VT1 и открывающийся VT2. КЗ очень короткое, десятки- сотни наносекунд, но токи запредельные. Чтоб их уменьшить и служит Dr1 со снобберной цепочкой. Для рабочего цикла периодом скажем 30мкс, дроссель имеет малое сопротивление, а для сквозного тока в 50нсек- большое. На практике это выглядит так. Рабочий ток первичной обмотки равен 60А, а сквозной ток всего 80А. Это вполне укладывается в параметры G4PC50UD, да и многих других IGBT. В отсутствии этого дросселя, ток может быть на порядок больше, что тоже во многих случаях позволяет работать ключам. О ключах и драй верах, говорить вроде не чего.

Как работает блок управления. Я покупал СD 4046, за пять рублей «пучок», когда занимался ФАПЧем, они остались неиспользованными, что и натолкнуло на мысль использовать генератор управляемый напряжения. Не буду писать как она работает, в кратце скажу, что если на 9 ногу подавать изменяющееся напряжение то и частота на выходе(3,4) будет меняться пропорционально. R11 и R6, задается диапазон частот, верхний и нижний соответственно. Частоту как и мощность, можно менять вручную, резистором R2- выше частота- выше мощность. Компаратор DA1/1, сравнивает напряжение установленное потенциометром R12 и напряжение с ТТ, как только напряжение ТТ превысит опорное, компаратор своим выходным транзистором, через VD1 и R4 начинает разряжать емкость фильтра С2 ГУН, напряжение на нем понижается, частота тоже, и падает ток в первичной обмотке. Образуется отрицательная ОС. Установив один раз номинальный рабочий ток, настраиваем компаратор под этот ток . Далее поднять мощность не возможно – ее можно только понижать. При замене индуктора с другой индуктивностью, можно одним движением, под него настроить инвертор. Как это происходит? ГУН всегда начинает работу с нижней частоты диапазона, поэтому, если рабочая частота индуктора входит в заданный диапазон частот, то частота будет упираться в заданный нами номинальный ток, что и соответствует номинальной мощности индуктора. Резистор установки частоты( мощности), крутят пока не сработает компаратор, и в таком положении работают. Индикация ограничения, осуществляется по светодиоду. Для этого используется вторая половинка компаратора DA1/2.

Насос для охлаждения я использовал от омывателя стекол. Питается он через полевик (VT3), что позволяет управлять и им и инвертором одной парой контактов. Также в цепи насоса стоят баластные резисторы (R18), что позволило снизить потребляемый им ток до 2,5А, а производительности его вполне хватает. Некоторые пишут, что я сделал охлаждение транзисторов водяным, потому , что с воздушным транзисторы просто не выдержат. На самом деле это не так. Грех не использовать водяное охлаждение, коль без воды не как не обойтись, к тому же это делает аппарат компактным.

Немного о настройке. Каждый модуль БП и БУ нужно проверять и настраивать отдельно желательно на столе от источника питания. Все тщательно выверить, проверить в разных режимах. Когда весь инвертор собран, подают 220В на блок питания, отдельно от инвертора( на силовую часть питание не подают). Проверяют работу генератора, потом работу драйверов, повесив осциллограф на затворы и эмиттеры транзисторов. Проверяют работу насоса. Если все нормально, включают силовую часть (желательно сначала через ЛАТР ), при этом БП питается отдельно. Проверяют работу пока без индуктора. На выходе меандр с немного закругленными вершинами напряжением 15В, можно нагрузить какой то лампой, типа от фары. Далее прикручивают индуктор, пробуют с индуктором, все так же через ЛАТР( вольт 80-100). Начинают с нижней частоты. На индукторе сначала рваная синусоида, по мере повышения частоты, синусоида становится чистой, вольт 80-90. В таком режиме настраивают компаратор. Зазубрины на синусоиде это момент переключения ключей, по ним очень удобно настраивать инвертор. Эти зазубрины должны располагаться в зоне, от нуля синусоиды и до вершины. Самый оптимальный вариант где то по середине. В режиме ограничения инвертор не должен свистеть.

Вот как то так. Наверное что то упустил, но все расписать не хватит десяти страниц. О подробностях можете писать на любой из форумов или прямо сюда. Как минимум трое повторили мой инвертор, у других не хватило или знаний, или терпения. На последок видео.


Ссылка на основную публикацию
Adblock detector