Nagrzewnica indukcyjna jest urządzeniem które od zawsze chciałem wykonać. Moje pierwsze próby uruchomienia nagrzewnicy polegały na eksperymentach z nagrzewnicą opartą na ZVS tzw. "Royer Induction Heater", nagrzewnicą opartą na sterowniku i części mocy DRSSTC.
Moje dotychczasowe poczynania nie dały mi wystarczającego rezultatu, chciałem zbudować urządzenie zasilane prosto z sieci. Przeglądając internet znalazłem wiele tematów dotyczących nagrzewnic, różne topologie, sposoby sterowania i zasilania. W pewnym momencie swoich poszukiwań znalazłem stronę poświęcona nagrzewaniu indukcyjnym na której jest zaprezentowany dokładny opis krok po kroku szeregowej nagrzewnicy indukcyjnej zasilanej poprzez transformator dopasowujący. http://www.mindchallenger.com/inductionheater/ Tutaj zamieszczam link do wspomnianej strony.
Budując pierwszą wersję nagrzewnicy wzorowałem się na schematach zamieszczonych w linku wyżej. Skonstruowałem sterownik zawierający układ PLL. Był to pierwszy układ który budowałem oparty na PLL. Złożenie i uruchomienie tego układu zajęło mi trochę czasu, popełniłem przy tym kilka podstawowych błędów, nauczyłem się nowych rzeczy i poznałem nowe zjawiska fizyczne.
Obecny schemat który teraz prezentuje to połączenie schematu z podanego linku oraz kolejnej strony o nagrzewnicy indukcyjnej. http://uzzors2k.4hv.org/index.php?page= ... ionheater1
Nie podam wszystkich wartości elementów na tym schemacie. Potencjometr R4- trimpot służy do ustawienia fazy przełączania napięcia wyjściowego z mostka względem prądu płynącego w obwodzie. Część schematu składająca się z komparatorów U6 można pominąć albo podać na wejście sygnał z przekładnika prądowego. Aby całość pracowała poprawnie bardzo ważne jest odpowiednie ustawienie sterownika. Obecnie można zaobserwować trzy rodzaje ustawienia fazy napięcia wyjściowego z mostka a prądu płynącego przez jeden z przewodów transformatora dopasowującego:
Przesunięcie fazowe, a raczej częstotliwość pracy dopasowujemy tak aby była trochę mniejsza od częstotliwości rezonansowej. Na zdjęciach oscylogramów widać trzy sytuacje. Kiedy napięcie jest przełączane w zerach prądu i kiedy napięcie jest przełączane wcześniej powstają szpile na zboczach napięcia. Napięcie na oscylogramie jest sygnałem prostokątnym a prąd jest sinusoidą. W pewnym ustawieniu widać jak znikają szpilki na przebiegu napięcia i to jest odpowiedni punkt pracy. Następnie zdjęcie przedstawia oscylogram podczas pracy w dużej mocy 3.5KW
Sprzężenie zwrotne jest pobrane w postaci napięcia z kondensatora rezonansowego i podane jest na P2 i P5
Zacznę od opisu układu szeregowego zasilanego transformatorem dopasowującym impedancje. Wybrałem taki układ ponieważ eliminuje on użycie cewki dopasowującej, na temat której nie znalazłem potrzebnych informacji. Była ona elementem o nieznanych parametrach, trudnych do obliczenia. Kolejnym powodem wybrania takiego układu jest separacja obwodu rezonansowego od napięcia sieciowego.
Układ rezonansowy jest złożony z baraterii kondensatorów WIMA FKP1 o łącznej pojemności 2.16uF/650VAC/1600VDC przylutowanych blachą miedzianą, cewka to pięć zwojów rurki chłodniczej o średnicy ok. 10mm a cewka ma średnice wewnętrzną 60mm. Częstotliwość rezonansowa wypada ok. 90KHz, przez cewkę jest pompowana woda.
Pompa która była zastosowana do chłodzenia i zbiornik rezerwuar wykonany na szybko. W kolejnej wersji będzie to wyglądało inaczej, ale na razie dobre jest i to.
Cewkę wykonałem z rury miedzianej przeznaczonej dla chłodnictwa. Rura jest z miedzi miękkiej, aby ukształtować odpowiednie uzwojenie rurę wypełniłem wyprażonym w piekarniku piaskiem.
Wyprażony i przesiany piasek jest bardziej sypki i lepiej wypełnia rurę, jest to zabieg uniemożliwiający przegięcia rury w miejscu zginania. Do końców rury zalutowałem śrubunki mosiężne. Rura miała mniejszą średnicę niż śrubunki więc zrobiłem prowizoryczną przejściówkę z kawałka nałożonej nań rurki.
Do śrubunków zamontowałem także po nypelu mosiężnym, tak aby część można było zamontować w obudowie. Montaż do obudowy zrealizowałem za pomocą wycinku płyty bakelitowej. Część która jest w obudowie stanowi część nieruchomą.
Transformator dopasowujący impedancje składa się z czterech rdzeni toroidalnych z materiału 3E25 spiętych jeden z drugim w jeden podłużny rdzeń. Nawinięte jest na nim ok. 18 zwojów uzwojenia pierwotnego licą, czyli skręconymi ze sobą izolowanymi drutami nawojowymi o odpowiedniej średnicy, u mnie 4x1.1mm. Ważne jest by właśnie licą nawijać ten transformator. Średnica pojedynczych drutów powinna być dokładnie dobrana, tak aby zminimalizować starty. Im większe stary w tym miejscu, tym bardziej będzie się nagrzewało uzwojenie i rdzeń. Rdzenie ferrytowe mają parametry w dużym stopniu zależne od temperatury otoczenia podczas pracy. Nie możemy dopuścić do zbytniego nagrzania rdzeni, skutkiem może być nasycenie się uzwojenia i uszkodzenie części mocy. Przewody z uzwojenia pierwotnego powinny być razem ze sobą skręcone w celu uniknięcia indukcji rozproszenia.
Uzwojenie pierwotne jest zasilane bezpośrednio z półmostka opartego na tranzystorach MOSFET. Mostek zawiera kondensatory filtrujące o dużej pojemności 1000uF, tranzystory są zabezpieczone diodami shottky-ego i diodami zwrotnym, transilami oraz dwoma kondensatorami impulsowymi 4.7uF. Sterowanie tranzystorami zrealizowane jest za pomocą transformatora sterującego nawiniętego na rdzeniu TN32 3E25.Na płytce sterownika jest również układ soft-startu, rezystory rozładowujące kondensatory po odłączeniu układu. Mostek został wykonany na dwustronnej płytce.
Na płytce mostka znalazły się również złącza do zasilania wiatraków z 12V.
Jednym z błędów były za wąskie ścieżki w PCB mostka. Ścieżki i laminat uległy przepaleniu w miejscach przecięcia się.
Kolejnym błędem było użycie przedniej części obudowy ze stali. Obudowa bardzo mocno się nagrzewa pod wpływem prądów wirowych. Jednym z przykładów jest to zdjęcie:
Podczas pracy na pełnej mocy najbardziej rozgrzewają się kondensatory rezonansowe. Nie są jednak one bardzo gorące- da się je trzymać ręką, lecz są bardzo ciepłe.
Kilka brzydkich zdjęć z budowy. Zwróćcie uwagę na okulary ochronne, warto je używać
Kolejne zdjęcia dotyczą uruchamiania układu.
I teraz zdjęcia efektów jakie udało mi się uzyskać. Do pierwszych eksperymentów stworzyłem coś w rodzaju tygla z zaprawy szamotowej. Zaprawę wyparzyłem za pomocą wsadu
Gdy już stapiany wsad osiągną pewną temperaturę i mój pseudotygiel został wygrzany zaczęła się zabawa..
Bezpiecznik sieciowy jest na wartość 16A. Prąd pobierany z sieci wynosi mniej więcej 15-18A. Jako ciekawostkę 10A bezpieczniki wytrzymywały, no po jakimś czasie się przypalały ale gniazdo było cholernie gorące
Jako ciekawostkę, chciałbym podzielić się zdjęciami z poprzedniej wersji, poznawczej nagrzewnicy indukcyjnej na PLL. Była to wersja która nie miała zabezpieczenia przed zbytnim wzrostem prądu. Gdy wyciągniemy wsad, prąd w części rezonansowej będzie próbował osiągnąć wartość nieskończoną. W moim układzie i prezentowanym schemacie napisałem że nie potrzebny jest komparator U6. Układ wymaga dopracowania. Komparator jednak się przydaje jako ograniczenie prądowe. Gdy prąd rośnie, to pojawia się też wyższe napięcie na kondensatorach- przy pustym wsadzie i dzięki temu nagrzewnica nie ulega awarii podczas usunięcia w trakcie pracy wsadu. Wersja poznawcza nie była zabezpieczona przed zbyt dużym wzrostem prądu/napięcia w części rezonansowej. Efektem po wyciągnięciu wsadu był piękny strzał IGBT. Oprócz strzału chciałem pokazać jak wyglądał wcześniejszy półmostek i wskazać na pewne błędy które popełniłem. Na zdjęciu widać jak ścieżki sterowania tranzystorami przebiegają pod radiatorami które nie są odseparowane od tranzystorów. Ścieżki są bardzo długie i elementy zabezpieczające sygnał sterujący/rezystory bramkowe są zbyt daleko.
Na zdjęciu płytki widać najczulsze na nadmierny prąd miejsca ścieżek. Są to odparowane kawałki miedzi na zgięciach
Na tranzystorach widać również ciekawe wypalenia między dwoma ostatnimi wyprowadzeniami.Amperomierz przedstawia wartość prądu w obwodzie zasilania sieciowego.
[youtube]https://www.youtube.com/watch?v=JQhOHvhYj3g&feature[/youtube]
[youtube]https://www.youtube.com/watch?v=FLpKpGdxuw4&feature[/youtube]
Pozdrawiam wszystkich i życzę powodzenia w konstruowaniu swojej nagrzewnicy indukcyjnej.