Schematické schéma činnosti indukčního ohřívače

Článek popisuje technologicky vyspělý, levný indukční ohřívač se zvýšenou účinností, spolehlivostí a relativně nízkou spotřebou energie. V tomto případě se navrhuje nahradit tradiční polomůstkový tranzistorový obvod obvodem s vlastním oscilátorem, což zvýší bezpečnost a spolehlivost zařízení, zjednoduší elektrické obvody indukčního ohřívače, sníží počet elektronických součástek, sníží počet elektronických součástek a sníží počet elektronických součástek. snížit náklady, zvýšit výkon a zvýšit účinnost zařízení.

Klíčová slova: Indukční ohřívač, indukční ohřev, polomůstkový obvod, samooscilátorový obvod, diody, tranzistory, radiotechnika, energetika, elektronika.

Zařízení se týká výkonové elektroniky, zejména způsobů a zařízení indukčního ohřevu. Hlavním cílem při vývoji tohoto zařízení bylo zjednodušit návrh obvodu, zvýšit výkon, snížit náklady na výrobek a zvýšit spolehlivost. V procesu výzkumu byl zvažován podobný vývoj používaný pro indukční nízkoteplotní ohřev kovových výrobků [1].

Hlavním technickým výsledkem, kterého bylo potřeba dosáhnout, bylo snížení napětí v elektrických obvodech a na elektronických součástech zařízení na úroveň usměrněného síťového napětí. V tomto případě by podstatou zařízení mělo být to, že pro generování vysokofrekvenčního napětí pro indukční ohřívač bylo nutné použít samooscilační můstkový obvod.

Realizace zařízení podle můstkového samooscilátorového obvodu zajišťuje trojnásobné snížení vysokého napětí na obvodových prvcích, na úroveň usměrněné hodnoty napájecího napětí 220-240 voltů 50-60 Hz a činí 310- 340 voltů, což zvyšuje bezpečnost a spolehlivost zařízení, zjednodušuje schéma zapojení indukčního ohřívače, snižuje počet elektronických součástek, snižuje náklady, umožňuje zvýšit výkon a zvýšit účinnost zařízení.

Základem bylo přenosné topidlo vířivého (hysteretického) topidla, obdoba US6670590, IPC H05B6/02, H05B6/06, H05B6/14 [2], které se používá při opravách automobilů (obrázek 1).

Zařízení obsahuje obvod vířivých proudů (hystereze) připojený ke zdroji energie s množstvím induktorů funkčně připojených k obvodu. Nevýhody tohoto schématu jsou však nízké napětí napájecího zdroje zařízení (110 V, 60 Hz), což znemožňuje jeho použití s ​​napájecím napětím 220-240 voltů 50-60 Hz. Tzn., že při použití napětí 220 V nebo vyšším dochází v některých obvodech obvodu k přepětí až 1200 V, což vede k poškození elektronických součástek [2].

Obrázek 1 – Přenosný indukční ohřívač [2]

Nevýhodou navrhovaného obvodu je také přítomnost tranzistorového polomůstku a vysokého napětí na kolektorech tranzistorových spínačů, které na vysokofrekvenčním transformátoru generují napětí asi 1000 V, což je více než trojnásobek vyšší než je napětí usměrněné sítě. V důsledku toho je nutné v tomto zařízení používat drahé vysokonapěťové (nad 1200 V) tranzistory a ochranné supresorové diody pro omezení úrovně napětí. Zvláštní pozornost je třeba věnovat elektroizolačním materiálům použitým při výrobě transformátoru, který musí být dimenzován na napětí 1200 V. Existují i ​​další problémy, např. vzhledem k transformačnímu koeficientu K tr = 15, zatížitelnost zařízení se snížila, hodnota rezonanční indukčnosti se zvýšila (jedná se o indukčnost indukčnosti, transformovaná ze sekundární strany transformátoru na primární) atd. Maximální výkon tohoto zařízení je 1000 W.

S přihlédnutím k výše uvedeným nevýhodám bylo rozhodnuto realizovat zařízení pomocí můstkového (místo polomůstkového) samooscilátorového obvodu, který zajišťuje trojnásobné snížení vysokého napětí na prvcích obvodu na úroveň usměrněného napájení. napětí 220-240 V 50-60 Hz. V souladu s tím toto řešení zvyšuje bezpečnost a spolehlivost zařízení, zjednodušuje elektrický obvod indukčního ohřívače a zároveň snižuje počet elektronických součástek a snižuje náklady. V důsledku toho se při stejných hmotnostních a rozměrových charakteristikách zvyšuje výkon zařízení a na rozdíl od polomůstkového obvodu se zvyšuje účinnost. Obrázek 2 ukazuje schematické elektrické schéma vysvětlující činnost navrhovaného zařízení.

Konstrukčně je přenosný indukční ohřívač podobný prototypu. Skládá se (obrázek 1) z pouzdra 1, ventilátoru 3, usměrňovače 4, měniče 5, transformátoru 6, montážní jednotky pro výměnné tlumivky 7, upevňovacích prvků 8, tlumivky 9. Ohřívač je připojen ke zdroji energie pomocí kabelu 2.

Obrázek 2 – Návrh ohřívače pomocí můstkového obvodu

Zařízení funguje následovně.

Střídavé síťové napětí o napětí 220-240 V 50-60 Hz je přiváděno do usměrňovače 4. Dále je usměrněné napětí přiváděno do měniče 5, který spolu s transformátorem 6 a tlumivkou 9 tvoří rezonanční Napětí v obvodu induktoru 9. Tlumivka 9 může být vytvořena ve formě cívky, buď ploché spirály, nebo ve formě izolovaného drátu. Kovová část zaváděná do elektromagnetického pole induktoru 9 (zavedená uvnitř cívky, umístěná pod plochou spirálou, obalená indukčním drátem) se zahřívá vlivem Foucaultových proudů indukovaných v kovu vyhřívané části [2].

Uvažujme činnost zařízení podle schématu zapojení zobrazeného na obrázku 2.

Síťové napětí 220-240 voltů 50-60 Hz je přiváděno na vstup diodového můstku VD3, propojeného výstupními svorkami „+“ a „-“ se sběrnicemi +310-340 V a -310-340 V, usměrněné, převedena na konstantní, pak se zvlnění konstantní napětí vyhlazují filtračními kondenzátory C3, C4, C5, C6, C7, které jsou zapojeny kladné svorky u sběrnice +310-340V, záporné svorky u sběrnice -310-340V. Toto napětí je přiváděno do můstkového měniče oscilátoru z tranzistorů VT1, VT2, VT3, VT4, diod VD4, VD8, VD17, VD18, transformátorů TV1, TV2, tlumivky Lind1. V tomto případě je kolektor tranzistoru VT1 připojen ke sběrnici +310-340V, jeho emitor je připojen ke svorce „a“ primárního vinutí transformátoru TV2, dioda VD4 je připojena katodou ke kolektoru VT1 a anoda k emitoru VT1. Tranzistor VT2 je připojen kolektorem k emitoru VT1, emitor VT2 je připojen ke sběrnici -310-340V, dioda VD8 je připojena katodou ke kolektoru VT2 a anoda k emitoru VT2. Brána VT2 je připojena k R5 a anodě VD10, katoda VD10 je připojena na druhou svorku R5 a svorku druhého vinutí TV1/2, její druhá svorka je připojena ke sběrnici -310-340V. Hradlo VT1 je připojeno k R4 a anodě VD9, katoda VD9 je připojena ke druhé svorce R4 a svorce prvního vinutí TV1/1, její druhá svorka je připojena k emitoru VT1.

Svorka „b“ primárního vinutí transformátoru TV2 je připojena k jedné ze svorek kondenzátorů C11, C12, anoda diody VD17 a katoda VD18, druhá svorka C11 a katoda VD17 jsou připojeny k +310- Na sběrnici -340- 12 V je připojena sběrnice 18V, druhá svorka C310 a anoda VD340.

Tlumivka Lind1, připojená k druhému vinutí transformátoru TV2, společně tvoří rezonanční oscilační obvod. Kmitočet tohoto obvodu je nastaven parametry C11, C12 a Lind1 a je v rozsahu 10-80 kHz. V závislosti na hodnotě indukčnosti výměnných tlumivek Lind1 a přítomnosti nebo nepřítomnosti zátěže v podobě zahřátého kovového předmětu se mění indukčnost rezonančního obvodu, což vede ke změně rezonanční frekvence.

Tato změna se přenáší přes třetí vinutí transformátoru TV2, rezistor R9, na třetí vinutí transformátoru TV1/3. V tomto případě je svorka „f“ třetího vinutí TV2 připojena k rezistoru R9, jehož druhá svorka je připojena ke třetímu vinutí TV1/3, paralelně ke kterému je připojen VD12. Druhá svorka třetího vinutí TV1/3 je připojena ke svorce „e“ třetího vinutí transformátoru TV2.

Dioda VD12 plní funkci omezení amplitudy signálu zpětné vazby napětí. Toto zpětnovazební napětí z vinutí transformátoru TV1/1 a TV1/2 v protifázi je přiváděno do hradel tranzistorů VT1 a VT2 přes R4, R5, VD9, VD10, otevírá je a zavírá a udržuje obvod v rezonanci, mění frekvence v závislosti na hodnotě indukčnosti pracovní tlumivky. Diody VD17, VD18 omezují maximální napětí primárního vinutí transformátoru TV2, který je součástí rezonančního obvodu, na úrovni napájecího napětí a zároveň slouží k vyvážení obvodu. R1, R2, R12, R3, VD5, C8, R13, VD6 jsou určeny pro prvotní spuštění obvodu. R1 je připojen ke sběrnici +310-340 V horním pinem podle schématu, spodní pin je připojen k hornímu pinu R2, který je připojen spodním pinem k hornímu pinu R12, spodní pin je připojen k hornímu pinu R8. který je připojen k C13, R3, R13. Druhá svorka rezistoru R6 je připojena k dinistoru VD2, jehož druhá svorka je připojena k hradlu tranzistoru VT8. Spodní svorka C310 je připojena ke sběrnici -340-3 V Druhá svorka R5 je připojena k anodě diody VD2, jejíž katoda je připojena ke kolektoru VTXNUMX.

Optosimistor OS1 s prvky R6, R10, R11, D11, R7, TS1, S1, R14 slouží k zastavení/spuštění generování obvodu. R6 s horním pinem ve schématu je připojen ke sběrnici +310-340 V, poté jsou zapojeny R10, R11 do série, druhý pin R11 je připojen k R7, ke katodě VD11 a první pin OC1. Druhá svorka OC1 a anoda VD11 jsou připojeny na sběrnici -310-340 V Katoda VD11 je také připojena k R7, druhá svorka R7 je připojena k C9 a termostatu TS1, který je připojen druhou svorkou ke sběrnici. Tlačítko S1, druhá svorka připojena ke sběrnici -310-340 B, druhý pin C9 je připojen ke sběrnici -310-340 V. Šestý pin OC1 je připojen k R14, který je svým druhým pinem připojen k vinutí R9, VD12, TV1/3. Čtvrtá svorka OS1 je připojena k VD12, vinutí TV1/3, svorka „e“ třetího vinutí TV2.

Obvod VD1, C1, NTC1, VD2, C2 generuje napájecí napětí pro ventilátor M1 chladicího systému zařízení. Síťové napětí 220-240 V 50-60 Hz je přiváděno na vstup diodového můstku VD1 sériově přes kondenzátor C1. Svorka „-“ VD1 je připojena ke sběrnici -310-340 V, „+“ k termistoru NTC1. Druhý pin NTC1 je připojen ke katodě VD2, kondenzátoru C2, ventilátoru M1. Druhé svorky VD2, C2, M1 jsou připojeny na sběrnici -310-340 V.

Obvod VD13, VD14, VD15, VD16, R8, čtvrté vinutí transformátoru TV2 slouží k napájení LED HL1. Svorka čtvrtého vinutí TV2 je připojena k anodě VD13 a katodě VD14, druhá svorka čtvrtého vinutí TV2 je připojena k anodě VD15 a katodě VD16. Katody VD13 a VD15 jsou spojeny mezi sebou a s rezistorem R8, jehož druhá svorka je připojena k anodě LED HL1, jejíž katoda je připojena k anodě VD14 a VD16.

Tento produkt je implementován ve formě specifického zařízení – indukčního ohřívače „MIKROSHA-2000“ o výkonu 2000 W.

Vzorec užitného vzoru je indukční ohřívač obsahující usměrňovač, střídač, transformátor, montážní jednotku pro výměnné tlumivky, upevňovací prvky a tlumivku umístěnou v pouzdře, vyznačující se tím, že navíc obsahuje místo toho samogenerující se můstkový obvod. polomůstkového okruhu.

Všechny procesy jsou stejné jako v [2], ale díky použití samooscilačního můstkového obvodu získáme bezpečnější a spolehlivější zařízení. Rovněž je zjednodušeno schéma elektrického obvodu, snížen počet elektronických součástek a sníženy náklady. V konečném důsledku se zvyšuje výkon indukčního ohřívače a zvyšuje se účinnost zařízení.

1. Patent užitného vzoru č. 75262 U1 Ruská federace, IPC H05B 3/34, H05B 3/20. Zařízení pro ohřev nádrže: č. 2008109331/22: přihláška. 11.03.2008: zveřejněno. 27.07.2008 / N.V. Kinsht, N.N. žadatel Ústav automatizace a řídicích procesů pobočky Dálného východu Ruské akademie věd (IAPU FEB RAS). – EDN BHGCWB.

2. Pat. 197581 Ruská federace, MPK N 05 V 6/10. Přenosný indukční ohřívač [Text] / Malik E. V.; přihlašovatel a držitel patentu Rostovská oblast, okres Azov, Azov, st. Čapaeva, 28 Malik E. V. – č. 2020108003; aplikace 25.02.2020; publ. 15.05.2020, Bulletin. č. 23 (II část). – 1,2,3,4.5,6 s

Informace o autorovi

Stashko V.I. – Ph.D., docent, Garifullin P.E – student skupiny 8E-11, Altai State Technical University pojmenované po. I. I. Polzunova“, Ruská federace, Altajské území, Barnaul.

S myšlenkou vytvořit elektrický topný systém pro obytný prostor jsem přišel při pokládání základů pro malý samostatný dům.

Použitím systému ohřevu vody plynovým kotlem získáme ekonomické výhody oproti elektrickému vytápění a to je každému jasné. Co ale dělat, když v blízkosti zatím není žádný plynovod a použití plynových lahví není bezpečné?

A tak vznikl nápad postavit pod každé okno v domě samostatný bojler na vodu (nebo radiátor topení, cokoli!), voda v něm se ohřívá elektřinou, ale bez použití topných těles a elektrolýzních ohřívačů.

Bylo rozhodnuto použít vířivý indukční ohřívač (VIN) jako topné těleso pro vodu. Princip činnosti a popis různých možností pro indukční ohřívače jsou podrobně popsány na internetu a dalších zdrojích informací.

Princip činnosti a zařízení

Vírový ultrazvukový ohřívač využívá principu elektromagnetické indukce. Při průchodu elektrického střídavého proudu o vysoké frekvenci indukční cívkou vzniká magnetické pole.

Jádrem cívky je kovové jádro z feromagnetického materiálu (v nejjednodušším případě ocelová trubka), uvnitř kterého je ohřátá kapalina (voda). Foucaultovy vířivé proudy ohřívají kovovou trubku, kterou proudí voda.

V tomto případě se jako „koncové zařízení“ používá uzavřený systém sestávající ze dvou nebo tří částí silnostěnných ocelových trubek, ve kterých cirkuluje voda.

Topné těleso (dá-li se to tak nazvat!) je cívka z izolovaného měděného drátu, která obsahuje asi 60 závitů na ocelové trubce o průměru asi 50 milimetrů.

Nejprve se na trubku navine tepelně odolná izolace (v tomto případě páska FUM nebo sklolaminát) a poté jednovrstvá cívka.

Nejvíce mě zaujal samotný zdroj elektřiny, ze kterého bude vířivý ohřívač napájen, protože. Na internetu je popsáno velké množství různých konstrukčních možností pro „vírové ohřívače“!

Pravda, nebyl čas experimentovat s výrobou toroidních a jiných typů ohřívačů a základ byl převzat z popisu malé autonomní domácí topné baterie, kde se jako ohřívač používal topný článek. Místo topného tělesa byl instalován indukční ohřívač a problém byl vyřešen!

Nejdůležitější zůstalo: “Jak ohřívat vodu v potrubí?” „Po prohledání internetu“ bylo vybráno několik schémat zapojení měničů napětí invertorového typu.

Nejprve byla volba provedena na střídači Kukhtetsky [1], ale nedostatek vysokonapěťových „mosfetů“ v našem kreativním sdružení a v mých „osobních rezervách“ pozastavil výrobu tohoto zařízení.

Myšlenka vyrobit střídač Kukhtetsky, který má velmi dobré technické vlastnosti s relativně jednoduchým obvodem, bude určitě realizována ve třídách našeho kreativního sdružení! (Přemýšlíme, po vyrobení darovat automodelářské laboratoři, která opravdu potřebuje přístroj na tavení kovu při výrobě podomácku vyrobených dílů pro modely aut!).

Schematické schéma měniče napětí

Jako měnič byl vyroben invertor, který pracuje na nízkonapěťových tranzistorech s efektem pole z výkonného zdroje 12 V DC Při práci na seřízení zařízení byla použita kyselinová baterie z osobního automobilu.

První zapnutí zařízení bylo provedeno při napětí 6 V (nebyly použity všechny „banky“ baterie). Hlavní oscilátor na čipu TL494 byl připojen k nízkopříkonovému regulovanému zdroji od 0 do 15 V. Poté byl k napájení použit počítačový zdroj.

V první fázi bylo nutné zajistit stabilní generování výstupního signálu generátoru. Nebylo pochyb o tom, že při snížení napájení měniče není zajištěno optimální přizpůsobení výstupního transformátoru apod., určeného pro napájení od 12 V!

Při předběžných testech měniče jsme prostě nepřemýšleli o tvaru výstupních impulsů! Bylo důležité získat stejný tvar a amplitudu na výstupech TL494 a tranzistorech ovladače.

Ani já, ani moji studenti jsme neměli mnoho zkušeností s prací s výkonovou elektronikou, takže jsme byli „opatrní, abychom nezpůsobili problémy“ s výstupními tranzistory a transformátory. Jako základ pro převodník bylo zvoleno schéma zapojení měniče [2], viz Obr. 1. Jako budicí tranzistory byly použity domácí křemíkové tranzistory KT816 a další s podobnými parametry.

Rýže. 1. Schéma střídače.

Zesílené obdélníkové impulsy „meandrovitého“ tvaru jsou přiváděny přes omezovací odpory do hradel výkonných (MOSFET) IRF tranzistorů s efektem pole.

Výkonný koncový stupeň push-pull FET zesiluje pulsy obdélníkových vln na požadovanou úroveň. Zátěž koncového stupně je pulzní výstupní transformátor na feritovém jádru.

V našem případě nebyly v každém rameni koncového stupně použity více než dva tranzistory. Když byly přidány tranzistory, napětí (vstup) na hradlech mosfetů se snížilo, odpovídajícím způsobem výstupní výkon zůstal na přibližně 200 300 W.

V našich podmínkách není možné vybrat identické páry budicích tranzistorů, stejně jako výstupní tranzistory s efektem pole (z důvodu nedostatku finanční podpory apod.), a tak jsme se rozhodli pro „dosažené výsledky!“

Výstupní transformátor byl domácí výroby. Jádra jsou z počítačových zdrojů. Transformátory z napájecího zdroje byly předtím dobře „vyvařené ve vodě“ (aby bylo možné transformátory opatrně rozebrat!). Rámy jsou použity ze stejných transformátorů.

Pro experimenty bylo vyrobeno několik transformátorů s různým počtem závitů primárního a sekundárního vinutí. Primární vinutí se skládalo ze dvou polovin 5 závitů pásky z jednožilového měděného drátu o průměru každého jádra asi 10 mm a sekundárního vinutí „do úplného zaplnění rámu“ jednožilovým drátem.

Výsledkem byl transformátor, na jehož výstupu bylo napětí asi 170 V! Při zátěži kleslo napětí na 190. 150 V.

Ukázalo se, že toto napětí a výkon stačí na to, aby vířivý indukční ohřívač plnil svou hlavní funkci – ohřát vodu v potrubí na 80 stupňů. Vzhledem ke krátké délce ohřívače (potrubního systému) nebylo potřeba další čerpadlo pro pohyb vody v potrubí.

Po výrobě a konfiguraci střídače byl vyroben výkonný střídavý zdroj, což byl klasický, celovlnný můstkový usměrňovač s výstupním napětím cca 12 V DC. Jednoznačným problémem pro nás bylo pořízení výkonného snižovacího transformátoru.

Na vylepšení střídače se pracuje. Pracovní vzorek střídače pro vířivý indukční ohřívač (viz obr. 2-3) byl vystaven na krajské výstavě „Děti. Technika. Kreativita“ ve městě Belgorod a obsadila druhé místo mezi exponáty ve své sekci.

Tvůrčí sdružení „Základy moderní radioamatérské komunikace a radiového designu“ CTT a Starý Oskol.

Yu Beloborodov, Stary Oskol. RM-11-17.