Перейти к содержанию
  • запись
    1
  • комментария
    2
  • просмотров
    5 287

Индукционный нагреватель 4кВт своими руками

Dapper

36 818 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.

blogentry-151482-015353600_1533101874_thumb.jpgblogentry-151482-025499100_1533101987_thumb.jpgblogentry-151482-098659700_1533103581_thumb.jpg

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.

blogentry-151482-076860600_1533102131_thumb.jpg

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.

blogentry-151482-017032900_1533102243_thumb.jpgblogentry-151482-097747300_1533102277_thumb.jpgblogentry-151482-048084000_1533102316_thumb.jpg

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.blogentry-151482-014969000_1533121478_thumb.jpg

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.

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.blogentry-151482-043241800_1533131185_thumb.jpg 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.

blogentry-151482-076342500_1533140705_thumb.jpgblogentry-151482-007121200_1533140739_thumb.jpg

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.



2 Комментария


Рекомендуемые комментарии

Видео впечатляют!

 

В схему и описание работы особо не углублялся - для подобной машины у меня есть только одна задача: нагрев быстрореза под закалку, да и та из разряда баловства. Поэтому покритикую (в духе лисицы из басни Крылова). :)

 

Емкость входного фильтра 1000 мкФ, указанная на схеме как-то не вяжется с 4 кВт мощности. Даже если это потребляемая, а не отдаваемая мощность, то пульсация получается более 100 В (грубая, но оптимистичная оценка). К сожалению, на фото номиналов конденсаторов не видно...

 

Конечно, при кратковременной работе овременные конденсаторы выдержат такой режим, но силовой части схемы перепады питающего напряжения в 1.5 раза вряд ли по душе.

Поделиться этим комментарием


Ссылка на комментарий

Это же не сварка, здесь пульсация не имеет значения, можно даже вообще без фильтра, но большой мощности не получится. Если вы имеете ввиду , что для электролитов это вредно- не спорю, но есть какая то золотая середина. Кстати с в сварочниках емкость фильтра не больше, и не чего работают.

Поделиться этим комментарием


Ссылка на комментарий
×
×
  • Создать...

Важная информация

Мы разместили cookie-файлы на ваше устройство, чтобы помочь сделать этот сайт лучше. Вы можете изменить свои настройки cookie-файлов, или продолжить без изменения настроек.