Jak zaprojektować obwód nagrzewnicy indukcyjnej

Artykuł wyjaśnia krok po kroku, jak zaprojektować własny domowy podstawowy obwód nagrzewnicy indukcyjnej, który może być również używany jako płyta indukcyjna.

Podstawowa koncepcja nagrzewnicy indukcyjnej

Być może natknąłeś się na wiele obwodów nagrzewnicy indukcyjnej DIY, ale wydaje się, że nikt nie rozwiązał kluczowego sekretu wdrożenia idealnego i udanego projektu nagrzewnicy indukcyjnej. Przed poznaniem tego sekretu ważne byłoby poznanie podstawowej koncepcji działania nagrzewnicy indukcyjnej.

Nagrzewnica indukcyjna jest w rzeczywistości wyjątkowo „nieefektywną” formą transformatora elektrycznego i ta nieefektywność staje się jego główną zaletą.

Wiemy, że w transformatorze elektrycznym rdzeń musi być zgodny z indukowaną częstotliwością, a gdy występuje niezgodność między częstotliwością a materiałem rdzenia w transformatorze, powoduje to wytwarzanie ciepła.

Zasadniczo transformator z rdzeniem żelaznym będzie wymagał niższego zakresu częstotliwości od około 50 do 100 Hz, a wraz ze wzrostem tej częstotliwości rdzeń może wykazywać tendencję do proporcjonalnego nagrzewania się. Oznacza to, że jeśli częstotliwość zostanie zwiększona do znacznie wyższego poziomu, może przekroczyć 100 kHz, co spowoduje wytwarzanie ekstremalnego ciepła w rdzeniu.

Tak, dokładnie to dzieje się w przypadku systemu nagrzewnicy indukcyjnej, w którym płyta kuchenna działa jak rdzeń i dlatego jest wykonana z żelaza. Cewka indukcyjna jest poddawana działaniu wysokiej częstotliwości, co razem powoduje wytwarzanie proporcjonalnie dużej ilości ciepła na naczyniu. Ponieważ częstotliwość jest zoptymalizowana na znacznie wysokim poziomie, zapewnia maksymalne możliwe ciepło na metalu.

Teraz przejdźmy dalej i poznajmy ważne aspekty, które mogą być wymagane do zaprojektowania skutecznego i technicznie poprawnego obwodu nagrzewnicy indukcyjnej. Wyjaśnią to następujące szczegóły:

Czego będziesz potrzebować

Dwie podstawowe rzeczy wymagane do zbudowania jakichkolwiek naczyń indukcyjnych to:

1) Cewka bifilarna.

2) Obwód generatora o regulowanej częstotliwości

Na tej stronie omawiałem już kilka obwodów nagrzewnic indukcyjnych, możesz je przeczytać poniżej:

Obwód słonecznej nagrzewnicy indukcyjnej

Obwód nagrzewnicy indukcyjnej wykorzystujący IGBT

Prosty obwód nagrzewnicy indukcyjnej - obwód kuchenki z płytą grzejną

Mały obwód nagrzewnicy indukcyjnej do projektu szkolnego

Wszystkie powyższe linki mają dwie powyższe cechy wspólne, to znaczy mają cewkę roboczą i stopień oscylatora sterownika.

Projektowanie cewki roboczej

Przy projektowaniu naczynia indukcyjnego cewka robocza ma być płaska, dlatego musi być typu bifilarnego z konfiguracją, jak pokazano poniżej:

Przedstawiony powyżej projekt typu cewki bifilarnej można skutecznie wdrożyć do wytwarzania domowych naczyń indukcyjnych.

Aby uzyskać optymalną odpowiedź i niskie wytwarzanie ciepła w cewce, upewnij się, że drut cewki bifilarnej jest wykonany z wielu cienkich pasm miedzi zamiast pojedynczego drutu litego.

W ten sposób staje się cewką roboczą naczynia kuchennego, teraz końce tej cewki muszą być po prostu zintegrowane z dopasowanym kondensatorem i kompatybilną siecią sterownika częstotliwości, jak pokazano na poniższym rysunku:

Projektowanie obwodu rezonansowego sterownika z mostkiem H

Do tej pory informacje powinny były cię oświecić, jak skonfigurować proste naczynie indukcyjne lub projekt płyty indukcyjnej, jednak najbardziej krytyczną częścią projektu jest rezonans sieci kondensatorów cewki (obwód zbiornika) w najbardziej optymalnym zakresie, aby obwód działa na najbardziej wydajnym poziomie.

Umożliwienie działania cewki / obwodu zbiornika kondensatora (obwodu LC) na poziomie rezonansu wymaga idealnego dopasowania indukcyjności cewki i pojemności kondensatora.

Może się to zdarzyć tylko wtedy, gdy reaktancja obu odpowiedników jest identyczna, to znaczy reaktancja cewki (cewki) i kondensatora są w przybliżeniu takie same.

Po naprawieniu tego można oczekiwać, że obwód zbiornika będzie działał z częstotliwością własną, a sieć LC osiągnie punkt rezonansu. Nazywa się to idealnie dostrojonym obwodem LC.

To kończy podstawowe procedury projektowania obwodu nagrzewnicy indukcyjnej

Możesz się zastanawiać, co to jest rezonans obwodu LC. ?? Jak można to szybko obliczyć, aby wykonać konkretny projekt nagrzewnicy indukcyjnej? Omówimy to obszernie w kolejnych sekcjach.

Powyższe akapity wyjaśniają podstawowe tajemnice rozwoju taniej, ale efektywnej indukcyjnej płyty kuchennej w domu, w poniższych opisach zobaczymy, jak można to zrealizować, obliczając jego kluczowe parametry, takie jak rezonans dostrojonego obwodu LC i prawidłowy wymiar drut cewki zapewniający optymalną zdolność przenoszenia prądu.

Co to jest rezonans w obwodzie nagrzewnicy indukcyjnej LC

Kiedy kondensator w dostrojonym obwodzie LC jest chwilowo ładowany, kondensator próbuje rozładować i zrzucić nagromadzony ładunek na cewkę, cewka przyjmuje ładunek i przechowuje ładunek w postaci pola magnetycznego. Ale gdy tylko kondensator rozładuje się w procesie, cewka wytwarza prawie równoważną ilość ładunku w postaci pola magnetycznego i teraz próbuje wymusić to z powrotem wewnątrz kondensatora, chociaż z przeciwną polaryzacją.

Zdjęcie dzięki uprzejmości:

Wikipedia

Kondensator jest ponownie zmuszony do ładowania, ale tym razem w przeciwnym kierunku, i gdy tylko zostanie w pełni naładowany, ponownie próbuje opróżnić się w całej cewce, co powoduje wymianę ładunku w obie strony w postaci prąd oscylacyjny w sieci LC.

Częstotliwość tego oscylującego prądu staje się częstotliwością rezonansową dostrojonego obwodu LC.

Jednak z powodu nieodłącznych strat powyższe oscylacje ostatecznie zanikają z biegiem czasu, a częstotliwość, ładunek, wszystko po pewnym czasie dobiega końca.

Ale jeśli pozwoli się na utrzymanie częstotliwości poprzez zewnętrzne wejście częstotliwości, dostrojone na tym samym poziomie rezonansu, może to zapewnić indukowanie trwałego efektu rezonansu w obwodzie LC.

Przy częstotliwości rezonansowej można oczekiwać, że amplituda napięcia oscylującego w obwodzie LC będzie na maksymalnym poziomie, co skutkuje najbardziej wydajną indukcją.

Dlatego możemy zasugerować, że aby zaimplementować doskonały rezonans w sieci LC dla projektu nagrzewnicy indukcyjnej, musimy zapewnić następujące kluczowe parametry:

1) Dostrojony obwód LC

2) I dopasowaną częstotliwość, aby utrzymać rezonans obwodu LC.

Można to obliczyć za pomocą następującego prostego wzoru:

F = 1 ÷ 2π x √LC

gdzie L jest w Henry, a C w Faradzie

Jeśli nie chcesz przechodzić przez kłopoty z obliczaniem rezonansu zbiornika LC wężownicy za pomocą wzoru, znacznie prostszą opcją może być użycie następującego oprogramowania:

Kalkulator częstotliwości rezonansowej LC

Możesz też to zbudować Miernik zapadu sieci do identyfikacji i ustawiania częstotliwości rezonansowej.

Po zidentyfikowaniu częstotliwości rezonansowej nadszedł czas, aby ustawić układ scalony z pełnym mostkiem z tą częstotliwością rezonansową, odpowiednio dobierając komponenty taktowania Rt i Ct. Można tego dokonać metodą prób i błędów poprzez praktyczne pomiary lub za pomocą następującego wzoru:

Do obliczenia wartości Rt / Ct można użyć następującego wzoru:

f = 1 / 1,453 x Rt x Ct, gdzie Rt jest w omach, a Ct w faradach.

Korzystanie z rezonansu szeregowego

Koncepcja nagrzewnicy indukcyjnej omówiona w tym poście wykorzystuje szeregowy obwód rezonansowy.

Gdy stosowany jest szeregowy obwód rezonansowy LC, mamy cewkę indukcyjną (L) i kondensator (C) połączone szeregowo, jak pokazano na poniższym schemacie.

Całkowite napięcie V przyłożony do szeregu LC będzie sumą napięcia na cewce indukcyjnej L i napięcia na kondensatorze C. Prąd przepływający przez układ będzie równy prądowi przepływającemu przez składową L i C.

V = VL + VC

I = IL = IC

Częstotliwość przyłożonego napięcia wpływa na reaktancje cewki indukcyjnej i kondensatora. Wraz ze wzrostem częstotliwości od wartości minimalnej do wyższej, reaktancja indukcyjna XL cewki indukcyjnej będzie proporcjonalnie wzrastać, ale XC, czyli reaktancja pojemnościowa, zmniejszy się.

Jednak podczas zwiększania częstotliwości wystąpi szczególny przypadek lub próg, w którym wielkości reaktancji indukcyjnej i reaktancji pojemnościowej będą po prostu równe. Ta instancja będzie punktem rezonansowym szeregu LC, a częstotliwość można ustawić jako częstotliwość rezonansową.

Dlatego w szeregowym obwodzie rezonansowym rezonans wystąpi, gdy

XL = XC

lub ωL = 1 / ωC

gdzie ω = częstotliwość kątowa.

Oszacowanie wartości ω daje nam:

ω = ωo = 1 / √ LC, które definiuje się jako rezonansową częstotliwość kątową.

Zastępując to w poprzednim równaniu, a także przekształcając częstotliwość kątową (w radianach na sekundę) na częstotliwość (Hz), otrzymujemy w końcu:

fo = ωo / 2π = 1 / 2π√ LC

fo = 1 / 2π√ LC

Obliczanie rozmiaru drutu dla cewki roboczej nagrzewnicy indukcyjnej

Po obliczeniu zoptymalizowanych wartości L i C dla obwodu zbiornika nagrzewnicy indukcyjnej i ocenie dokładnej kompatybilnej częstotliwości dla obwodu sterownika, nadszedł czas, aby obliczyć i ustalić bieżącą pojemność cewki roboczej i kondensatora.

Ponieważ prąd występujący w konstrukcji nagrzewnicy indukcyjnej może być znacznie duży, tego parametru nie można zignorować i należy go poprawnie przypisać do obwodu LC.

Używanie formuł do obliczania rozmiarów drutu dla rozmiaru drutu indukcyjnego może być trochę trudne, szczególnie dla nowicjuszy i właśnie dlatego na tej stronie zostało udostępnione specjalne oprogramowanie do tego samego, które każdy zainteresowany hobbysta może wykorzystać do zwymiaruj odpowiedni rozmiar drutu dla Twojego indukcyjnego obwodu kuchennego.