на главную
Карта сайта
English version
Вы читаете:

Установка индукционного нагрева

Разное
3 месяца назад

Установка индукционного нагрева (часть 1)


Первой широко известной любительской установкой индукционного нагрева (ИН) была конструкция Сергея Кухтецкого [1]. Это был чисто экспериментальный аппарат для специализированного применения в лаборатории. Ещё одна любительская установка Сергея Щеголеватых "Феникс" [2, 3] получила не только широкое распространение, но и была неоднократно повторена любителями. В отличие от установки Кухтецкого, индукционный нагреватель "Феникс" имел систему стабилизации тока индуктора, возможность смены индукторов, а также был сконструирован с упором на простоту повторения. Установки Кухтецкого и "Феникс" были рассчитаны на питание от однофазной сети 230 В 50 Гц, и их максимальная мощность не превышала 3...4 кВт. При мощности установки 5 кВт и выше уже необходимо питание от трёхфазной сети.

При разработке установки индукционного нагрева была поставлена задача избавиться от неудобных особенностей конструкции ИН "Феникс". Во-первых, явно недостаточная величина защитной паузы микросхемы IR2104 вынудила автора установки "Феникс" использовать LRD-снаббер для подавления сквозных токов - требовалось увеличивать защитную паузу. Во-вторых, наличие резонансных конденсаторов в первичной цепи разделительного импульсного трансформатора в разы увеличивало его необходимую габаритную мощность. Первоначально была разработана установка с питанием от однофазной сети, но её мощности в 3 кВт оказалось недостаточно.

В итоге было решено строить установку, рассчитанную на питание от трёхфазной сети напряжением 380 В. Такой подход позволил избавиться от оксидных конденсаторов после выпрямителя и распределить потребляемый ток по трём фазам. Кроме того, появилась возможность дальнейшего масштабирования установки для получения большей мощности. Для упрощения монтажа и улучшения ремонтопригодности автор отказался от применения дискретных силовых биполярных транзисторов с изолированным затвором (БТИЗ) (англ. - insulated gate bipolar transistor - IGBT) и решил строить установку на промышленном БТИЗ-модуле.

Схема блоков преобразователя и индуктора

Рис. 1. Схема блоков преобразователя и индуктора

 

Установка состоит из двух частей: блока преобразователя и блока индуктора. Блок преобразователя из подводимого переменного трёхфазного напряжения 380 В частотой 50 Гц формирует переменное однофазное напряжение 250 В частотой 25...30 кГц, которое через согласующие импульсные трансформаторы питает нагрузочный контур блока индуктора. Схема блоков преобразователя и индуктора представлена на рис. 1. Входное напряжение через автоматический выключатель QF1 поступает на входную трёхфазную мостовую диодную выпрямительную сборку VD1, на модуль питания А1 охлаждающего вентилятора М1, а также через оперативный выключатель SA1 и биметаллический термоконтакт SK1 - на модуль питания А2 задающего генератора А3. Для защиты диодного моста VD1 от импульсных выбросов подводимого напряжения на его входных контактах установлены варисторы RU1 - RU3 с классификационным напряжением 750 В. На выходе диодного моста также установлен аналогичный варистор RU4. Для защиты диодного моста от протекания высокочастотного тока, потребляемого БТИЗ-модулем, непосредственно на его выходных контактах установлен помехоподавляющий конденсатор С1. Специальных мер по сглаживанию выпрямленного напряжения не предусмотрено изначально, поскольку размах пульсаций после трёхфазного мостового выпрямителя не превышает 14 % от амплитудного значения.

Выпрямленное напряжение поступает на промышленный БТИЗ-модуль VT1, являющийся "сердцем" преобразователя. Модуль содержит не только два БТИЗ, объединённых в полумост, но ещё и два быстродействующих диода, включённых параллельно БТИЗ в обратной полярности. Хотя этот модуль и выдерживает напряжение до 1200 В и ток до 100 А, тем не менее, согласно рекомендациям завода-изготовителя, его рекомендуется эксплуатировать при напряжении не более 840 В и токе не более 80 А. Если учесть, что БТИЗ-модуль изначально предназначен для работы в электроприводах переменного тока на частотах 5...7 кГц, за счёт повышенных потерь в диапазоне частот 25...30 кГц от паспортных пиковых 100 А остаётся всего 35...40 А. Но и этого вполне достаточно для постройки индукционной установки с выходной мощностью до 5...6 кВт! Конденсаторы С2- С5 выполняют сразу две задачи - создание искусственной средней точки и замыкание токов высокой частоты на шине постоянного тока. Параллельно выводам питания БТИЗ-модуля также установлен помехоподавляющий конденсатор С6. Управляется БТИЗ-модуль задающим генератором А3, который собран на отдельной печатной плате.

Блок индуктора подключается к генератору между выходом БТИЗ-модуля VT1 (вывод 1) и точкой соединения конденсаторов С2-С5. Для контроля выходного тока преобразователя в "холодный" провод искусственной средней точки установлен трансформатор тока Т1. Трансформатор тока нагружен на выпрямитель VD2VD3C7C8, собранный по схеме параллельного удвоителя напряжения. Выпрямленный ток через миллиамперметр PA1, шунтированный резистором R1, поступает на резисторы R2 и R3, с помощью которых устанавливают порог ограничения по току. Параллельно резистору R2 в генераторе А3 подключён ИК-излучающий диод оптрона обратной связи. Учитывая особенности использования установки индукционного нагрева на заводе (закалка небольших деталей, пайка токарных резцов, контроль температуры нагрева пирометром), автор посчитал нецелесообразным использовать точную стабилизацию тока контура и ограничился предельно упрощённым ограничителем.

Генератор управляющих импульсов выполняет несколько задач. Во-первых, содержит задающий генератор, управляемый напряжением для обеспечения частотного регулирования мощности, во-вторых, формирует защитную паузу длительностью 1,8...2 мкс, минимально необходимую для работы БТИЗ-модуля, в-третьих, формирует гальванически изолированные двухполярные импульсы управления для БТИЗ-модуля VT1. Проанализировав схему задающего генератора индукционного нагревателя "Феникс" и решив работать на частотах выше резонансной нагрузочного контура, автор принял решение отказаться от применения связки ГУН К561ГГ1 (CD4046) и драйвера IR2104. Схема генератора представлена на рис. 2. Основой генератора была выбрана микросхема IR2520D, обладающая широким диапазоном перестройки частоты, достигающим 2,5:1, достаточной для надёжной работы БТИЗ-модуля защитной паузы в 2 мкс, и главное, минимальным числом навесных элементов. Диапазон частот встроенного генератора микросхемы задаётся сопротивлением резистора R3, а частота - напряжением на конденсаторе С2 в интервале 0...5 В. Чем больше напряжение, тем меньше частота генератора. В микросхеме имеется встроенный источник тока, заряжающий конденсатор С2 и ограничивающий напряжение на нём, соответственно для ограничения снижения частоты генератора служат фототранзисторы оптронов U1 и U2. На излучающие ИК-диоды оптронов поступает выпрямленное напряжение трансформатора тока Т1 (см. рис. 1). Для защиты от ложных срабатываний излучающие ИК-диоды шунтированы резисторами R1 и R2.

Схема генератора

Рис. 2. Схема генератора

 

При включении автомата QF1 переменное сетевое напряжение поступает на импульсный блок питания А1 вентилятора охлаждения М1, на внешний импульсный блок питания 5 В/2 А насоса охлаждения индуктора (на схеме не показаны), на выключатель SA1 питания задающего генератора A3 и надиодный мостVD1. Выпрямленное пульсирующее сетевое напряжение с усреднённым значением 510 В поступает на конденсаторный делитель напряжения С2-С5 и полумостовой силовой БТИЗ-модульУП. При включении выключателя SA1 напряжение через термоконтакт SK1 поступает на импульсный блок питания Д2. Напряжение 15 В с его выхода подаётся на плату задающего генератора Д3. Он формирует двухполярные импульсы +14/-7 В с начальной частотой 45 кГц для управления БТИЗ в модуле VT1. Со средней точки полумоста двухполярные импульсы с размахом около 500 В подаются на трансформаторы Т2 и Т3, первичные обмотки которых соединены параллельно, а вторичные - согласно последовательно. Нагрузкой вторичных обмоток служит последовательный колебательный контур L1C9.

Изолированные DC/DC преобразователи Д1 и Д2 преобразуют входное однополярное напряжение +15 В в выходные несимметричные двухполярные напряжения +15 В и -8 В, питающие оптоизолированные драйверы затворов БТИЗ-модуля, собранные на элементах U3, VT1, VT2, R8, R9 и U4, VT3, VT4, R11, R12. Микросхема DA1 имеет защиту от пониженного напряжения питания, генерация возникает при достижении напряжением питания 12 В и более. Это защищает БТИЗ-модуль от работы в линейном режиме. Конден-сатор С2, задающий начальную частоту работы генератора, разряжен, и микросхема DA1 работает на верхней частоте диапазона, задаваемой резистором R3, в данном случае это - около 45 кГц. С выхода микросхемы DA1 на излучающие диоды оптронов через ограничительные резисторы R4 и R6 поступают не перекрывающиеся по времени импульсы с защитной паузой 1,8...2 мкс. Эти импульсы затем преобразуются в двухполярные импульсы с напряжением +14/-7 В, управляющие БТИЗ-моду-лем. С выхода БТИЗ-модуля (см. рис. 1) напряжение через трансформаторы Т2 и Т3 питает нагрузочный контур L1C9.

Ток первичных обмоток трансформаторов Т2 и Т3 контролируется миллиамперметром PA1, и он прямо пропорционален току первичных обмоток трансформаторов, а значит, и току нагрузочного контура. Поскольку стартовая частота генератора A3 далека от резонансной, составляющей около 25 кГц, через индуктор L1 протекает ток около 20 % от номинального. По мере зарядки частотозадающего конденсатора С2 частота генерации микросхемы DA1 (рис. 2) снижается, приближаясь к резонансной контура. Несмотря на заметные потери в индукторе L1 (см. рис. 1), конструктивная добротность контура составляет не меньше десяти. Увеличивающийся ток контура увеличивает выпрямленный ток с трансформатора тока, и падение напряжения на резисторе R2 по мере снижения частоты увеличивается, пока не достигнет порога срабатывания излучающего ИК-диода оптрона U1. При этом открывающийся фототранзистор этого оптрона шунтирует частотозадающий конденсатор С2 (рис. 2). Когда ток фототранзистора сравняется с током зарядки времязадающего конденсатора от встроенного тока микросхемы, снижение частоты закончится и наступит ограничение тока. Ток ограничения будет обратно пропорционален сопротивлению резисторов R2 и R3.

При внесении металла в индуктор L1 за счёт токов Фуко, а также ферромагнитных потерь для чёрных металлов и сплавов добротность контура L1C9 снижается, падение напряжения не достигает порога ограничения, времязадаю-щий конденсатор С2 продолжит заряжаться, частота генератора уменьшится, приближаясь к резонансной, пока ток снова не достигнет уровня ограничения. Если же заготовку извлечь из индуктора, добротность контура возрастёт, ток увеличится и превысит порог зажигания излучающего ИК-диода оптрона, в этом случае его пиковый ток будет ограничен сопротивлением параллельно соединённых миллиамперметра PA1 и резистора R1 на безопасном уровне. Фототранзистор оптрона откроется и начнёт разряжать времязадающий конденсатор С2, напряжение на котором управляет частотой, пока ток контура не снизится до уровня ограничения. Из-за небольшого тока зарядки времязадающего конденсатора уменьшение тока контура происходит в разы быстрее его нарастания. За счёт заметного магнитного поля рассеяния индуктора нарастание и спад добротности контура при внесении и извлечении заготовок происходят плавно, и система ограничения тока успевает надёжно отследить изменения тока индуктора.

Интервал регулировки тока индуктора установки - от минимального 170 А (30 % шкалы миллиамперметра PA1) до максимального 450 А (80 % шкалы) с возможностью кратковременного форсирования до предельного 550 А (100 % шкалы). При этом средневыпрямленный ток БТИЗ-модуля изменяется от минимального значения 12 А до максимального 33 А и предельного 40 А. Ток индуктора был определён косвенным методом измерения напряжения на индукторе мультиметром UT71C с полосой пропускания до 100 кГц. При 80 % шкалы прибора РА1 напряжение на индукторе было 123 В на частоте 26,6 кГц, а при 100 % достигло 151 В на частоте 26,3 кГц. При внесении в индуктор стальной заготовки сечением 20x25 мм при 80 % ограничения напряжение на индукторе уменьшилось до 44,6 В при частоте 26,8 кГц.

Продолжение следует

Автор: А. Савин, г. Самара

Мнения читателей

Нет комментариев. Ваш комментарий будет первый.

Вы можете оставить свой комментарий, мнение или вопрос по приведенному выше материалу:

Поля, обязательные для заполнения

Изготовление печатных плат