Calentamiento por inducción
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introducción
Calentadores de inducción se utilizan para calentar materiales conductores en un proceso sin contacto. Comercialmente, se utilizan para el tratamiento térmico, soldadura fuerte, soldadura, etc., así como para fundir y forja de hierro, acero y aluminio.
Este Instructable le guiará a través de la construcción de un calentador de alta potencia (30kVA), apto para la fusión de aluminio y acero. Tenga en cuenta que para aprovechar al máximo de este diseño, tendrá una salida de 220V, por lo menos un 50A monofásico uno y preferiblemente una 50A o 60A de salida de 3 fases.
Sobre el autor:
Bayley Wang (yo) es un estudiante de EE en el MIT. Soy el responsable de una variedad de nefastos proyectos de electrónica de potencia que se pueden encontrar en mi blog; tal vez lo más interesante es oneTesla, que ha ganado ya una vida propia como inicio la creación de kits DRSSTC.
ADVERTENCIAS
Este proyecto utiliza la tensión de red. Mientras que de buen comportamiento, 110/220 red pueden lesionarlo gravemente, mutilar, y / o matarlo si se usa incorrectamente.
El voltaje a través del condensador del tanque potencialmente puede sonar hasta cientos de voltios. No deje que la proporción de 20: reductor 1 te engañe!
Cuando la determinación del alcance del circuito, ten cuidado con los bucles de masa.
La pieza de trabajo, de forma natural, puede hacer mucho calor. NO TOCAR! Menos obviamente, no apagar rápidamente la pieza de trabajo con agua, ya que esto puede conducir a la pulverización catódica peligroso.
Este proyecto utiliza la electrónica de potencia. En condiciones de fallo, dispositivos semiconductores utilizados en este proyecto puede calentar rápidamente, respiradero, y / o liberación de metralla que se mueve rápidamente. Escudo adecuadamente.
Con esto dicho y hecho, vamos a seguir adelante.
Paso 1: Lista de materiales
Para esta construcción, se necesita:
2 módulos IGBT medio puente. Solía Powerex CM400DU-12F 400A 600V Dual IGBT; nada de manejo de potencia similar y velocidad de conmutación debería funcionar. Éstos se pueden comprar como excedente económico de Ebay.
4 MOSFET o IGBT para el control de puerta. Solía HGTG30N60B3D de, que son manera excesiva para la aplicación. Tienen que ser capaz de disipar aproximadamente 30W sin quemar.
2 de control de puerta de IC, de al menos el pico 9A capacidad de corriente. Yo uso el UCC37322 de TI.
2 toroides de ferrita. Estos son sus transformadores de control de puerta, y deben ser capaces de pasar una onda cuadrada razonablemente limpia a 50 kHz. Magnetics, Inc. y TSC ferrita Internacional son buenos fabricantes, o puede salvarlos de los CRT de edad o fuentes de alimentación conmutadas. Los núcleos de hierro impulsados desde alimentación ATX rara vez funcionan.
Grandes toroides de ferrita para la transfromer acoplamiento toroidal.
1 TL494 PWM IC.
1, al menos, 20 uF, al menos 20V película o condensador cerámico.
Surtido de resistencias, condensadores y potenciómetros para el conductor.
10 'de 1/4 "tubería de refrigeración de cobre suave.
Un bloque de agua capaz de acomodar las dos IGBT. Una gran disipador de calor también puede funcionar, pero yo no lo he probado.
2 barras de aluminio o cobre, ~ 4.3 "x8"
2 1/4 "uniones de compresión
Un contactor rotativo de 4 posiciones, bueno para varias decenas de amperios.
Un condensador electrolítico tornillo-terminal de una calidad razonable. Recomiendo por lo menos unos cuantos cientos uF para el funcionamiento de 3 fases.
Una alta calidad, bajo condensador amortiguador inductancia para el puente. Ebay tiene lindos ladrillo de montaje 20 uF bloques por $ 5.
Uno o más condensadores de polipropileno de alta calidad para el condensador del tanque. Más en esta última parte.
Un medidor de corriente analógica bueno para varias decenas de amperios.
Un puente rectificador de 3 fases (o monofásica si están dispuestos a conformarse con el funcionamiento monofásico solamente).
Un caso de proyectos adecuados y el hardware asociado (3 fases interruptor, cable, el enchufe, etc).
Una bomba de agua capaz de un par GPM
Tubos apropiados para conectar la refrigeración por agua.
Un Variac para la prueba.
Paso 2:Palabras de sabiduría
Los IGBT: o "ladrillos", como nos gusta llamarlos. Ellos deben ser buenos para 600V (no es una preocupación, nunca he visto un ladrillo nominal bajo que antes), al menos 200A (yo uso 400A módulos a ser, seguro), y lo más importante, necesito ser rápido. Aquí es donde usted necesita para comprobar la ficha técnica - IGBT tener un inherentemente largo retardo a la desconexión. Por 65 kHz operación, tiempo de subida + encendido de retardo + retardo de apagado + tiempo de caída debe ser inferior al 2 de Estados Unidos.
Ladrillos vienen en varios tipos: de un solo transistor, transistor dual, 6-pack, y algunos tipos más raros tales como instalar chopper. Módulos de un solo transistor son frecuentes para 1200V IGBT y más grandes, y tienen las calificaciones más altas térmicas y son los más difíciles de montar. Gemelos (módulos de medio puente) son mucho más fáciles de montar y pueden disipar menos. Son más comunes para los módulos de 600V. 6-packs se utilizan para convertidores de 3 fases, no requieren conexiones eléctricas externas, y tienen las calificaciones más bajas térmicas.
Usa lo mejor le parezca; este tutorial se utilizan módulos de medio puente.
El condensador del tanque: es muy, muy importante. Maneja enormes cantidades de potencia reactiva a frecuencias muy altas. Es absolutamente esencial que esta parte puede seleccionar apropiadamente. Debe ser un polipropileno de alta calidad o condensador de mica. Utilizo condensadores amortiguadores gigantes hechas por Eurofarad; alternativamente, una serie / serie paralela de condensadores más pequeños (como amada serie CDE942 de la bobinadora Tesla) debería funcionar. El condensador final, por supuesto, es una unidad de agua o conducción refrigerado hecha por Celem, pero este tipo de tapones le costará alrededor de $ 150 por una unidad de 2 uF. ¿Quieres suficiente capacidad para resonar con su bobina de trabajo a no más de 70 kHz.
Paso 3: Principio de funcionamiento
Calentadores de inducción función que rodea a la pieza de trabajo con una bobina que lleva una alta frecuencia (kHz a menor MHz) de corriente alterna. Esto induce corrientes de Foucault en la pieza de trabajo, que actúa como un cortocircuito del transformador 1-turn secundaria. Las corrientes pueden ser enormes, del orden de varios miles de amperios. Esto provoca alta I ^ pérdidas 2R en la pieza de trabajo, calentándolo.
Esquema Descripción
Nota: No haga caso de los números de modelo de transistor; Acabo de utilizar lo que Águila había incorporado.
IC1 está actuando un TL494 como un oscilador con el tiempo muerto y una frecuencia ajustables. La salida se alimenta a la entrada de dos ICs de accionamiento de puerta UCC37322 9A, que "carne" la señal en algo capaz de conducir puertas de transistores de alta capacitancia. La señal de salida se pasa a través C5 para asegurar sólo el componente de CA alcanza GDT1, un transformador de excitación de puerta. Este transformador proporciona el aislamiento eléctrico necesario para conducir Q1 a Q4, que forman un puente completo. Este puente intermedio es necesario para proporcionar la alta potencia media necesaria para conducir a través de Q5 Q8, un puente completo de grandes módulos IGBT.
Este puente forma el inversor principal. La salida de este inversor se retiró a través de una de 20: 1 transformador toroidal TR_MATCH, que proporciona impedancia a juego, así como el aislamiento de L_WORK, el inductor bobina de trabajo. El C_TANK condensador forma un circuito LC resonante con L_WORK; cuando se maneja en la resonancia, este circuito aparece el cero impedancia reactiva al inversor, lo que para potencias superiores y reducir al mínimo las pérdidas de conmutación en el inversor.
Paso 4: Construcción: Controlador
Construya el circuito lógico como desee, ya sea mediante el uso de las imágenes que se adjuntan para hacer tablas o usando tarjeta perforada o una placa.
Los transformadores de control de puerta deben ser capaces de pasar una onda cuadrada de alta calidad a su frecuencia de funcionamiento. Para comprobar esto, viento 10 + 10 vueltas en el toroide, conecte un conjunto de bobinados de un generador de señal, y el alcance a través del otro. La salida debe ser similar a una onda cuadrada razonable.
El GDT procede la disolución con 5 cables trenzados para minimizar la inductancia de fuga. Muchas personas han tenido suerte con el uso de cable CAT5, que viene pre-trenzado.
Paso 5: El inversor
El inversor debe ser muy bien refrigerado, ya sea con un gran disipador de calor o un bloque de agua. Usé un bloque de agua para la compactación y robustez; pero un grande (creo 12 "x12" x3 "con varios cientos de CFM de enfriamiento por aire forzado) debería funcionar también. La bomba debe ser relativamente grande para manejar la caída de presión a través de la bobina de trabajo (la mía estaba clasificado para 2GPM).
Los principales condensadores de filtrado deben colocarse cerca del puente en sí, preferentemente atornillada a través de las barras. También debe utilizar un condensador amortiguador (el cuadro negro en la imagen) se coloca directamente a través de los transistores para reducir los picos de tensión provocados por la excitación de las inductancias parásitas en el diseño del inversor.
El uso de módulos de medio puente o six-pack es la forma más fácil de buld el inversor; un puente de transistores individuales requerirá el acceso a un taller mecánico para hacer lo correcto.
Paso 6: Bobina deTrabajo / Circuito Tanque
El transformador de acoplamiento debe ser toroidal. Viento ~ 20t alrededor de algunos grandes núcleos de ferrita (yo estaba usando una pila de 4 ~ 4 núcleos "x1").
El condensador del tanque se caliente. Debe tener área terminal significativo para conducir el calor y miles de amperios. Si está utilizando una MMC de pequeños condensadores, soldar de forma individual a las grandes placas de cobre. Si está utilizando un Celem o un amortiguador gigante, pernos grandes placas de cobre a los terminales. Luego, en cualquier caso, soldar los terminales a la tubería de cobre que forma el resto del circuito tanque.
Coloque la bobina de trabajo al circuito tanque usando accesorios de compresión; esto le permite cambiar las bobinas de trabajo para adaptarse a diferentes cargas.
Hacer que la bobina de trabajo de al menos 1/4 "tubería de cobre tubo más grueso es menos pérdidas, pero más difícil de manejar;.. Trade-off entre los dos como mejor le parezca Al enrollar la bobina de trabajo, ayuda para llenar con arena . para evitar que el tubo se colapse Como regla general, la resistencia de 1 'tubería de cobre de diámetro a 65 KHz es 0,8 mΩ / m, es decir, para calcular la resistencia de su secundaria, se multiplican 0,8 mΩ por su longitud y se divide por su diámetro en pulgadas.
Paso 7: Pruebas y Uso
Reúna todo de acuerdo con el esquema. Utilice un transformador de corriente en el primario (100t cargado con un par de ohms alrededor de un toroide de ferrita hará) para monitorear las formas de onda.
El uso de un suministro de banco de corriente limitada (preferiblemente 30V, 10A), la rampa lentamente la tensión hasta que la corriente suficiente se señala a dar una lectura clara en el osciloscopio. Ajuste el potenciómetro de frecuencia hasta que la forma de onda es una onda sinusoidal limpia, y la corriente se maximiza (puede que tenga que buscar un poco para evitar los armónicos). Si usted no tiene un ámbito de aplicación, sólo sintonizar hasta que se maximiza actual (el mío llamó algo así como 40A a 200 VCD en el autobús, sin carga).
Con ~ 30V en el autobús, cargar la bobina de trabajo con un perno. A unos cientos de vatios en, debe calentarse en un par de minutos. Si se obtiene la energía, pero la pieza no se calienta, compruebe los transistores para la calefacción. Si se ponen demasiado caliente, el puente está disparando a través.
Si todo está bien en bajas potencias, usted está listo para una prueba de alta potencia. Utilice su fuente de CC favorito (monofásico, trifásico, suavizado, sin filtrar, etc - que en realidad no importa) para alimentar el puente. Preferiblemente, utilice un Variac, en caso de que atrae demasiada corriente (se puede predecir el consumo de corriente de las pruebas de baja potencia por señalar que el calentador es una carga bastante lineal). No te olvides de la refrigeración por agua!
En unos pocos kilovatios, sin un crisol, se puede fundir el aluminio y el cobre y hacer naranja en caliente de acero. 10 KW + (secador de 50A / línea estufa o 3 fases) es necesario para fundir el acero al aire libre. Un crisol ayuda mucho.
Usted puede controlar el poder desafinando ligeramente el inversor, o cambiando la tensión del bus, o tocando el transformador de adaptación. Este último es una característica recomendado, y el acero y el cobre tienen muy diferentes "resistencias" eficaces.
Buena suerte y diviértete!
Paso 8: Fuentes para los componentes
Por demanda popular, he añadido esta página.
Para los componentes de potencia, una palabra - EBAY.
EBAY EBAY EBAY. No hay forma de que este proyecto podría haber sido remotamente asequible sin ella. Para el IGBT, la fuente más fiable es Excedente CTR, que va por el nombres de usuario ctr_surplus, deals_ctrsurplus y lisa_ctrsurplus. Excedente CTR también tiene un suministro constante de grandes condensadores electrolíticos, amortiguadores y los disipadores utilizados en este proyecto.
Los condensadores son también de Excedente CTR - una búsqueda de "Eurofarad" hace maravillas.
La tubería de cobre es el más comprado de Home Depot (suponiendo que usted vive en los EE.UU.). Tienen precios que superaron la mayoría de fuentes de Internet.
Los toroides pueden ser de Magnetics, Inc o TSC ferrita Internacional.
Varios componentes pequeños se pueden comprar de Digi-Key.
Arrow tiene muy buenos precios en transistores, muy por debajo de la mayoría de otros proveedores.
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