30 kVA Induktionsheizer
8 Schritt:Schritt 1: Stückliste Schritt 2: Worte der Weisheit Schritt 3: Funktionsprinzip Schritt 4: Aufbau: Controller Schritt 5: Der Wechselrichter Schritt 6: Arbeits Coil / Schwingkreis Schritt 7: Testen und Usage Schritt 8: Quellen für die Komponenten
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Einführung
Induktionsheizungen verwendet werden, um leitfähige Materialien in einem berührungslosen Verfahren zu erwärmen. Im Handel sind, werden sie für die Wärmebehandlung, Hartlöten, Löten, usw. verwendet werden, sowie zum Schmelzen und Schmieden von Eisen, Stahl und Aluminium.
Diese Instructable wird Sie durch den Bau eines Hochleistungs (30kVA) Heizung, geeignet für Schmelzen von Aluminium und Stahl zu gehen. Beachten Sie, dass, um vollen Nutzen aus dieser Entwurf zu nehmen, erhalten Sie eine 220V Steckdose müssen zumindest eine 50A einphasig ein und vorzugsweise eine 50A oder 60A 3-Phasen-Steckdose.
Über den Autor:
Bayley Wang (me) ist ein EE Student am MIT. Ich bin für eine Vielzahl von ruchlosen Leistungselektronik-Projekte, die Sie auf finden zuständig meinem Blog ; vielleicht am interessantesten ist oneTesla , die seit ein Eigenleben als Start Schaffung DRSSTC Kits gewonnen hat.
HINWEISE
Dieses Projekt verwendet Netzspannung. Während brav, können 110/220 Netz ernsthaft verletzen, verstümmeln und / oder töten, wenn falsch verwendet werden. Die Spannung über dem Schwingkreis-Kondensator kann möglicherweise klingeln bis zu hundert Volt. Lassen Sie sich nicht die 20: 1 Untersetzung täuschen! Beim Scoping die Schaltung, passen sie von Masseschleifen. Das Werkstück, natürlich bekommen kann sehr heiß werden. NICHT BERÜHREN! Weniger offensichtlich, nicht schnell abzuschrecken das Werkstück mit Wasser, da dies zu gefährlich Sputtern führen. Dieses Projekt verwendet die Leistungselektronik. Im Fehlerfall, Halbleiterbauelemente in diesem Projekt verwendet werden, können schnell zu erwärmen, zu entlüften, und / oder lassen Sie sich schnell bewegenden Schrapnell. Schirmen Sie entsprechend.
Nachdem dies gesagt und getan ist, lassen Sie uns bewegen on.Step 1: Stückliste
Aus diesem Build, benötigen Sie: 2 IGBT Halbbrücken-Module. Ich habe Powerex CM400DU-12F 400A 600V Dual-IGBTs; nichts von ähnlichen Belastbarkeit und Schaltgeschwindigkeit sollte funktionieren. Diese können als günstige Überschuss von Ebay erworben werden. 4 MOSFETs oder IGBTs für die Gate-Ansteuerung. Ich habe HGTG30N60B3D die, die Art und Weise übertrieben für die Anwendung sind. Sie müssen in der Lage, etwa 30 W, ohne zu brennen bis abführen zu können. 2 Gate-Treiber-ICs, von mindestens 9A Spitzenstrom-Fähigkeit. Ich benutze den UCC37322 von TI. 2 Ferrit-Ringkerne. Dies sind Ihre Gate-Treiber-Transformatoren, und sollte in der Lage, eine einigermaßen saubere Rechteckwelle bei 50 kHz passieren. Magnetics, Inc. und TSC Ferrite Internationale gut sind Hersteller, oder Sie können sie von der alten CRTs oder Schaltnetzteilen zu retten. Die betriebene Eisenkerne von ATX liefert selten zu arbeiten. Große Ferrit Ringkerne für den Ringkernkopplungs transfromer. 1 TL494 PWM IC. 1 mindestens 20 uF mindestens 20V Film oder Keramikkondensator. Assorted Widerstände, Kondensatoren, und Potentiometer für den Fahrer. 10 'von 1/4 "weiche Kupferkühlrohr. Ein Wasserblock aufnehmen kann die beiden IGBTs. Ein großer Kühlkörper kann auch funktionieren, aber ich habe nicht versucht. 2 Aluminium oder Kupfer, Bars, ~ 3/4" x8 "2 1/4 "Klemmsets A 4-Position Drehschütz, gut für mehrere zehn Ampere. Eine Schraube-terminalen Elko von angemessener Qualität. Ich empfehle, mindestens ein paar hundert uF für 3-Phasen-Betrieb. Eine qualitativ hochwertige, niedrige Induktivität Dämpfungskondensator für die Brücke. Ebay hat niedliche Ziegel-mount 20 uF Blöcke für € 5. Eine oder mehrere hochwertige Polypropylen-Kondensatoren für den Tankkondensator. Mehr zu diesem Teil später. Ein analoger Strommesser gut für mehrere zehn Ampere. A 3-Phasen-Brückengleichrichter (oder einphasigen, wenn Sie bereit sind, für einphasigen Betrieb nur zu begleichen). Ein geeignetes Projekt Fall und die zugehörige Hardware (3-Phasen-Leistungsschalter, Kabel, Stecker, etc). Eine Wasserpumpe in der Lage, ein paar GPM Tubing geeignete für den Anschluss der Wasserkühlung. A Variac zum Testen. Schritt 2: Worte der Weisheit
Die IGBTs: oder "Ziegel", wie wir sie gerne nenne. Sie sollten gut für 600 V sein, zumindest 200A (ich benutze 400A Module zu sein, sicher), und was noch wichtiger ist, müssen schnell sein (kein Problem, ich habe noch nie einen Ziegelstein bewertet unter zuvor gesehen). Dies ist, wo Sie brauchen, um das Datenblatt zu überprüfen - IGBTs haben eine inhärent lang Ausschaltverzögerung. Für 65 kHz Betrieb, Anstiegszeit + Einschaltverzögerung + Ausschaltverzögerung + Abfallzeit sollte unter 2 uns.
Bricks kommen in verschiedene Arten: Ein-Transistor, dual-Transistor, 6-pack, und einige seltenere Arten wie Chopper-Module. Ein-Transistor-Module sind weit verbreitet für 1200V IGBTs und größer, und die höchsten thermischen und Bewertungen sind die am schwierigsten zu montieren. Duals (Halbbrücken-Module) sind die viel einfacher zu montieren und können weniger zerstreuen. Sie sind am häufigsten für 600V-Module. 6-Packs sind für 3-Phasen-Wechselrichter verwendet werden, benötigen keine externe Stromanschlüsse und die niedrigsten thermischen Bewertungen.
Verwenden Sie, was Sie für richtig halten; Dieses Tutorial verwendet Halbbrückenmodulen.
Die Tankkondensator: sehr sehr wichtig. Er verarbeitet enorme Mengen an Blindleistung bei sehr hohen Frequenzen. Es ist unbedingt notwendig, dass dieser Teil in geeigneter Weise ausgewählt werden. Es muss ein hochwertiges Polypropylen oder Glimmer Kondensator sein. Ich benutze riesigen Kondensatoren durch EUROFARAD gemacht; alternativ sollte ein Serien / Parallel-Anordnung kleinerer Kondensatoren (wie geliebten CDE942 Serie der Tesla Haspel ist) zu arbeiten. Die ultimative Kondensator, natürlich, ist ein Wasser oder leitungsgekühlte Einheit Celem gemacht, aber solche Kappen laufen Sie 150 € für 2 uF Einheit. Sie wollen genug Kapazität, um mit Ihrem Arbeitsspule bei nicht mehr als 70 kHz.Step 3 Resonanz: Funktionsprinzip
Induktionsheizer Funktion durch Umgeben des Werkstückes mit einer Spule, die einen Hochfrequenz (kHz niedriger MHz) Wechselstrom. Dies induziert Wirbelströme in dem Werkstück, das als kurzgeschlossene 1-turn Transformatorsekundär wirkt. Die Ströme können enorm sein, in der Größenordnung von mehreren tausend Ampere. Dies verursacht hohe I ^ 2R Verluste in das Werkstück, erhitzt wird.
Schematische Beschreibung
Hinweis: Ignorieren Sie die Transistormodellnummern; Ich habe gerade verwendet wird, welche in Adler gebaut hatte.
IC1 ist ein TL494 wirkt als ein Oszillator mit einstellbarer Totzeit und Frequenz. Die Ausgabe wird in den Eingang von zwei UCC37322 9A Gatetreiber-ICs, die "Rindfleisch" des Signals in etwas antreiben hoher Kapazität Transistor-Gates zugeführt. Das Ausgangssignal wird durch C5 geleitet, um nur die Wechselstromkomponente zu versichern erreicht GDT1 eine Gatetreibertransformator. Dieser Transformator stellt die elektrische Isolierung notwendig, Q1 bis Q4 fahren, die eine Vollbrücken bilden. Dieser Zwischensteg ist notwendig, um die hohe Durchschnittsleistung erforderlich, Q5 bis Q8, einer Vollbrücken großer IGBT Module anzutreiben.
Diese Brücke bildet den Hauptwechselrichter. 1 Ringkerntransformator TR_MATCH, die Impedanzanpassung sowie Isolation für L_WORK, der Arbeitsspule Induktivität bietet: Der Ausgang dieses Wechselrichter ist nach unten durch einen 20 trat. Der Kondensator C_TANK bildet einen LC-Schwingkreis mit L_WORK; wenn bei Resonanz angetrieben, Zero Diese Schaltung zeigt Blindwiderstand an den Umrichter, so dass für höhere Leistungen und die Minimierung der Schaltverluste in der inverter.Step 4: Konstruktion: Controller
Konstruieren Sie die Logik-Schaltung, wie Sie wollen, entweder mit den beigefügten Abbildungen, um Bretter zu machen oder mit perfboard oder ein Steckbrett.
Die Gate-Treiber-Transformatoren müssen in der Lage, ein qualitativ hochwertiges Rechteckwelle bei Ihrem Betriebsfrequenz passieren. Um dies zu überprüfen, Wind 10 + 10 Windungen auf der Ringkern, verbinden Sie einen Satz von Wicklungen mit einem Signalgenerator, und den Umfang auf der anderen. Die Ausgabe sollte wie eine vernünftige Rechteck aussehen.
Die GDT sollte mit 5 verdrillte Drähte gewickelt werden, um die Streuinduktivität zu minimieren. Viele Menschen haben Glück mit über CAT5-Kabel, das pre-twisted.Step 5 kommt hatten: Der Umrichter
Der Wechselrichter sollte sehr gut gekühlt, entweder mit einem großen Kühlkörper oder einem Kühler. Ich habe einen Kühler für die Kompaktheit und Robustheit; aber ein großer (glaube 12 "x12" x3 "mit mehreren hundert CFM Zwangsluftkühlung) sollten auch funktionieren. Die Pumpe sollte relativ groß sein, um den Druckabfall durch die Arbeitsspule behandeln (Mine wurde für 2GPM bewertet).
Die Hauptfilterkondensatoren sollte nahe der Brücke selbst, vorzugsweise über den Sammelschienen verschraubt platziert werden. Sie sollten auch eine Überspannungsschutzkondensator (die Black Box im Bild), die direkt an den Transistoren platziert verwenden, um Spannungsspitzen durch Anregung der parasitären Induktivitäten im Wechselrichter-Layout zu reduzieren.
Verwenden Halbbrücke oder Six-Pack-Module ist der einfachste Weg, um den Wechselrichter buld; eine Brücke von einzelnen Transistoren wird der Zugang zu einem Maschinenhalle erforderlich right.Step 6 zu tun: Arbeits Coil / Schwingkreis
Die Koppeltransformator Ringkern sein sollte. Wind ~ 20t um einige große Ferritkerne (I wurde mit einem Stapel von 4 ~ 4 "x1" Kerne).
Der Tank Kondensator warm werden. Es sollte eine signifikante Anschlussbereich, um sowohl Wärme und tausend Ampere zu führen. Wenn Sie eine MMC von kleinen Kondensatoren, löten sie einzeln zu großen Kupferplatten. Wenn Sie eine Celem oder einen riesigen Dämpfer, Bolzen großen Kupferplatten zu den Terminals. Dann in jedem Fall löten die Terminals mit dem Kupferrohr, das den Rest des Schwingkreises bildet.
Befestigen Sie die Arbeitsspule zu dem Schwingkreis mit Klemmringverschraubungen, dies ermöglicht es Ihnen, Arbeitsspulen ändern, um verschiedene Lasten unterzubringen.
Machen Sie den Arbeitsspule von mindestens 1/4 "Kupferrohre dickere Schlauch weniger verlustbehaftet, aber schwieriger zu handhaben;.. Trade-off zwischen den beiden, wie Sie wollen, wenn das Wickeln des Arbeitsspule, hilft es, sie mit Sand zu füllen ., um den Schlauch vor dem Kollaps Als Faustregel gilt zu verhindern, ist die Beständigkeit von 1 "Durchmesser Kupferrohr bei 65 KHz 0,8 m & OHgr; / m, das heißt, um den Widerstand der sekundären, multiplizieren 0,8 m & OHgr; zu berechnen durch seine Länge und dividieren durch sein Durchmesser in Zoll.
Schritt 7: Testen und Usage
Montieren Sie alles, was nach dem Schema. Verwenden einen Stromwandler auf der Primärseite (100t mit ein paar Ohm um einen Ferrittoroid belastet tun wird), um die Wellenformen zu überwachen.
Mit Hilfe eines strombegrenzten Bank Versorgung (vorzugsweise 30 V, 10 A), langsam Rampe bis die Spannung, bis genügend Strom gezogen, um eine klare Lesung über den "Rahmen zu geben. Stellen Sie die Frequenz Topf, bis die Wellenform ist eine saubere Sinuswelle, und die Stromaufnahme maximal ist (Sie müssen möglicherweise ein wenig suchen, um Oberwellen zu vermeiden). Wenn Sie nicht einen Umfang haben, einfach einstellen, bis Strom maximiert (meine zog etwas wie bei 40A 200VDC auf dem Bus, unbelastet).
Mit ~ 30V auf dem Bus, laden Sie die Arbeitsspule mit einer Schraube. An einigen hundert Watt in, sollte es heiß innerhalb von ein paar Minuten. Wenn es bezieht Strom, aber das Werkstück wird nicht heiß, überprüfen Sie die Transistoren für die Heizung. Wenn sie übermäßig heiß wird Ihr Brücke durch Schießen.
Wenn alles gut bei kleinen Leistungen, sind Sie bereit für einen High-Power-Test. Benutzen Sie Ihre Lieblings-Gleichstromquelle (einphasig, dreiphasig, geglättet, ungeglätteten, etc - es spielt eigentlich keine Rolle), um die Brücke zu versorgen. Vorzugsweise mit einem Variac, falls er zieht zu viel Strom (man kann die Stromaufnahme aus dem Low-Power-Tests mit der Feststellung, dass die Heizung ist eine ziemlich lineare Last vorherzusagen). Vergessen Sie nicht, die Wasserkühlung!
An einigen Kilowatt, ohne einen Schmelztiegel, können Aluminium und Kupfer zu schmelzen und machen Stahl orange heiß. 10 KW + (50A Trockner / Ofen Linie oder 3-phasig) ist notwendig, um Stahl im Freien zu schmelzen. Ein Tiegel hilft viel.
Sie können Kraft um sehr wenig Verstimmung des Wechselrichters, oder durch Änderung der Bus-Spannung, oder indem Sie auf die Übertrager zu steuern. Letzteres ist eine empfohlene Funktion und Stahl und Kupfer haben sehr unterschiedliche effektive "Widerstände".
Viel Glück und hab Spaß!
Schritt 8: Quellen für die Komponenten
Auf vielfachen Wunsch habe ich diese Seite aufgenommen.
Für die Leistungskomponenten, ein Wort - EBAY.
EBay ebay EBAY. Es gibt keine Möglichkeit dieses Projekt remote erschwinglich gewesen ohne es. Für die IGBTs, die zuverlässigste Quelle ist CTR Surplus, der durch den Benutzernamen geht ctr_surplus , deals_ctrsurplus und lisa_ctrsurplus . CTR Surplus hat auch eine konstante Versorgung mit großen Elkos, Dämpfer und Kühlkörper in diesem Projekt verwendet.
Die Kondensatoren sind ebenfalls von CTR Surplus - eine Suche nach "EUROFARAD" wirkt Wunder.
Kupferrohr wird am besten von Home Depot (vorausgesetzt, Sie leben in den USA) erworben. Sie haben die Preise, die die meisten Internet-Quellen zu schlagen.
Die Ringkerne aus sein Magnetics, Inc oder TSC Ferrite Internationale .
Sonstiges Kleinteile können erworben werden von Digi-Key .
Pfeil hat sehr gute Preise für Transistoren, weit niedriger als die meisten anderen Lieferanten.
Verfasst von Gehrungen für die Instructables Patenschaftsprogramm
