Прост лабораторен инвертор за индукционно нагряване (h
Първо включване на инвертора За първото включване трябва да свържете изолационен трансформатор и малък резистивен товар. Като товар вземете лампа с нажежаема жичка от 100 W
. Изгледът на инвертора, сглобен за тестване, е показан на фиг. 14.
Извършваме първия тест на инвертора на стъпки.
Стъпка 1. Още веднъж проверяваме правилната инсталация и монтаж на инвертора. Полезно е да премахнете всички ненужни от масата.
Стъпка 2. Включете захранването на контролния блок. Само блока за управление! Все още не включваме високо напрежение. Гледаме сигналите на екрана на осцилоскопа на вратите на ключовете. Свързваме заземяващия конектор на сондата на осцилоскопа към източника на съответния транзистор. Сигналите трябва да са подобни на сигналите, показани на фиг.10. В зависимост от използваните транзистори и драйвери, фронтовете може да са по-нежни. Не забравяйте да проверите фазите на сигналите. За тази цел, разбира се, по-добър е двулъчевият осцилоскоп, но може да се използва и еднолъчев осцилоскоп. В последния случай сканирането на осцилоскопа трябва да се задейства от отделен тактов сигнал. Удобно е да използвате един от изходите IR2153 като такъв сигнал (вижте фиг. 8). Внимавайте с конекторите на заземителната сонда! В този случай използваме трансформаторна изолация, така че заземителният конектор на сондата в захранващия блок може безопасно да бъде свързан към източниците на двата полумостови транзистора. В противен случай сигналът за синхронизация трябва да бъде отделен. В противен случай може да има големи искри.
Стъпка 3. Ако стъпка 2 е успешна, свържете сондите на осцилоскопа паралелно с товара. Проверяваме позицията на дръжката LATR. Трябва да е на нула! След това включете високото напрежение. С LATR плавно повишаваме напрежението до 15-20 V. Ние контролираме тованапрежение на волтметъра на токоизправителя. На екрана на осцилоскопа трябва да видим импулси на напрежение върху товара, симетрични около нулата (както на фиг. 15 вляво).
Всъщност това са вълнови форми от стъпка 5. Но на тази стъпка сигналите трябва да са абсолютно същите, само с по-малка амплитуда. Доведох ги тук, за да обсъдим формата им. Виждаме "опашки", бавно падащи по време на мъртво време върху товар с висока устойчивост (фиг. 15 вляво). Това се дължи на факта, че и двата транзистора са затворени по време на мъртвото време. Следователно, чисто резистивен товар, заедно със сондата на осцилоскопа, просто, както се казва, "виси във въздуха". Ако няма товар (безкрайно съпротивление), потенциалът на средната точка (между клавишите) не се променя изобщо по време на мъртвото време. Следователно не е нужно да обръщате внимание на тези опашки. Когато съпротивлението на натоварването намалее, формата на сигнала ще се доближи до класическата (с „рамене” на мъртвото време). За да проверите това, можете да вземете по-мощна електрическа крушка с по-ниско съпротивление на нишката или като цяло друг товар със съпротивление от 10-20 ома. Осцилограми за 500 W крушка са показани на фиг. 15 вдясно. Виждаме, че всичко работи правилно.
Да продължим със 100W електрическа крушка.
Стъпка 4. Променяме честотата на инвертора от минимум към максимум. Формата на импулсите не трябва да се променя радикално. Най-малкото те трябва да останат симетрични около нулата.
Стъпка 5. Ако всичко е наред на стъпка 3-4, постепенно увеличете напрежението до 100-120 волта. Спиралата на електрическата крушка ще започне да свети. Първото захранване от инвертора е получено! „Караме“ го така 30-40 минути. Температурата на радиатора не трябва да се отклонява значително от стайната температура.
Стъпка 6. Ако осцилоскопът не ви позволява да работите при високи напрежения, изключете сондата и плавно изведетенапрежение до ниво 300-310 V. Електрическата крушка свети ярко. Следим температурата на радиаторите. Ако отоплението е значително, все още трябва да се занимавате с разреждането на MOSFET портите. При моите експерименти в рамките на един час температурата на радиаторите надвишаваше стайната само с 2-3 градуса. Нашето „недостатъчно затваряне“ на транзисторите се оказа не толкова ужасно. Да работим спокойно. Общият изглед на инвертора по време на тази стъпка е показан на фигура 16.
Стъпка 7. Бързо довеждаме LATR до 0 и бързо изключваме цялото захранване (първо високо, след това захранването на контролния модул с вентилатор). С външната страна на пръста проверете температурата на демпфериращите резистори и разделителните кондензатори (R9, R10 и C10, C11). Не трябва да са горещи. Ще проверим и радиатора. Да, за всеки случай. Изведнъж термодвойката има лош термичен контакт.
Всички. Приключиха първите тестове на инвертора. Сега можете да преминете към индукционно нагряване.
Индукционното нагряване е технология, свързана с възбуждане на вихрови токове в проводящи проби за тяхното нагряване. В момента индукционното отопление се използва широко в различни индустрии и дори в ежедневието (например домакински индукционни печки). В изследователската лаборатория обаче индукционното нагряване все още е екзотика. Може би лабораторният инвертор, който се обсъжда в тази статия, ще улесни въвеждането на технологии за индукционно нагряване в практиката на физическите и химичните експерименти. Ще демонстрираме прекрасните възможности на високочестотните инвертори с един красив пример. Това е топенето на метал (алуминий) в суспензия. Понякога този процес се нарича топене в електромагнитен тигел или просто "левитационно топене" (от английския термин "левитационно топене"). Тук високочестотното електромагнитно поле не е таковасамо нагрява и разтапя метала, но също така го държи в пространството без никакви тигли или ограничителни стени. За да осъществим такова топене, трябва да произведем товар с водно охлаждане с индуктор със специална форма и да осигурим допълнителна диагностика в системата. Да започнем с натоварването.
Еквивалентната схема на натоварване за индукционно нагряване и топене е показана наФиг.17.
Трансформаторът TR2 е направен от два пръстена K 45x28x12. Ферит клас M 2000 NM. Първична намотка - 26 навивки от тел MGTF 0,75. Тази намотка е свързана директно към изхода на инвертора. Ролята на вторичната намотка, състояща се от един оборот, се изпълнява от една от изходните тръби на индуктора (мед, диаметър 6 mm), преминаваща през центъра на трансформаторния пръстен. Индукторът е намотка, съдържаща няколко навивки (медна тръба с диаметър 4 mm). Индукторът, заедно с кондензатора C, образува последователен осцилиращ кръг, на чиято резонансна честота инверторът трябва да бъде настроен. Нагрят образец, поставен в индуктор в еквивалентна верига, може да бъде представен като активно съпротивление, индуктивно свързано с индуктора.
Дизайнът на събрания товар със специален индуктор за бързо топене е показан наФиг.18 отляво.
Второ, кондензаторът C на осцилаторната верига трябва да бъде проектиран за доста голяма реактивна мощност. Необходимо е да се използват или специални кондензатори за индукционно нагряване, или да се набере батерия от достатъчно голям брой филмови кондензатори с по-малък капацитет, свързани паралелно. В тази схема кондензаторната банка съдържа 40 полипропиленови високоволтови кондензатори CBB81. Капацитетът на всеки кондензатор е 0,033 uF, работинапрежение 2 kV. Общият капацитет на батерията е 1,32 микрофарада. Тангенсът на техния ъгъл на загуба е 0,0008. Следователно само десети от вата се отделят като топлина на всеки кондензатор. Кондензаторите са монтирани свободно и се охлаждат добре от конвективни въздушни течения. Следователно, дори след половин час работа на максимална мощност, те леко се нагряват (с 10-20 градуса).
За "ръчно" настройване на инвертора към резонанс при работа с резонансен товар и оптимизиране на процеса на нагряване е полезно да добавите още няколко измервателни уреди към инсталацията, свързани с тока, консумиран от товара.
Първият измервателен уред е проектиран да контролира средноквадратичния ток. Това е токов трансформатор с пълновълнов токоизправител. Първичната намотка е представена от проводник от инвертора към товара и минаващ през центъра на малък феритен пръстен. Върху този пръстен се навива вторична намотка (20 - 30 оборота тел с проводник от средата на намотката). След това, използвайки два диода, сигналът се коригира, филтрира и измерва с помощта на конвенционален китайски мултицет.
Вторият измервателен уред също е токов трансформатор, който отива към товара, но служи за контрол на формата на сигнала. Той е подреден почти по същия начин, както в предишния случай, но вторичната намотка не съдържа изход от центъра и се зарежда на резистор от няколкостотин ома. От този резистор сигналът се подава към осцилоскопа. Много е удобно при настройване на резонанс и контролиране на аварийни ситуации.
Включете охлаждащата вода и всички измервателни уреди, необходими за контрол на процеса. След това първо се включва захранването на контролния модул и вентилатора, а след това източникът на високо напрежение (токоизправител). Плавно с помощта на LATR увеличаваме напрежението до 30-50 V. След това бавно променяме честотата на инвертора(резистор R3 на фиг. 8), ние се опитваме да настроим инвертора на резонанс. Резонансът се настройва на максималния ток, консумиран от товара, като се контролира амплитудата му с осцилоскоп. След настройка на резонанс, ние увеличаваме напрежението на захранващия модул с помощта на LATR до желаното ниво. Индукционният нагревател е готов за работа.
Изключването се извършва в обратен ред. Нулираме високото напрежение (извеждаме LATR на 0), след което го изключваме. След това захранването на контролния модул се изключва. По-нататък - в произволен ред.
Настройката на резонанса не трябва да се прави много често. Опитът показва, че когато в индуктора се въвеждат малки феромагнитни проби, разстройката на веригата не води до фатално намаляване на мощността, погълната от пробата, и тя се нагрява доста добре дори без допълнителна настройка на честотата. При работа с немагнитни материали резонансната честота практически изобщо не „напуска“.
Нафиг. 19 ифиг. 20 са два примера, илюстриращи работата на инвертора като индукционен нагревател. Първият вариант е феромагнитен (просто дръжка на иглена пила), вторият е немагнитен (парче от неръждаема тръба). В нито един случай не е извършено допълнително регулиране на честотата.