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自制电磁感应加热器

宣布日期:2021-12-08  阅读 次数:505

串联谐振2.5KW 锁相环追频ZVS,MOSFET全桥逆变;磁芯变压器两档阻抗变幻 ,水冷散热,市电自耦调压调功,母线过流掩护。在最先 制造 之前,有需要 明白 些基础 性原理及看法,这样才不会于头雾水。

自制电磁感应加热器

加热机制:

1.1涡流,只需 是金属物体处于交变磁场中,都市发作 涡流,强盛 的高密度涡流能迅速使工件升温。这个机制在一切 电阻率不为有限 大的导体中均存在。

1.2感应环流,工件相当于个短路的1匝线圈,与感应线圈组成个空心变压器,因为 电流比即是匝比的正比 ,工件上的电流是感应线圈中电流的N(匝数)倍,强盛 的感应短路电流使工件迅速升温。这个机制在任何导体中均存在,恒定磁通密度情形 下,工件与磁场矢量正交的面积越大,工件上感生的电流越大,效率越高。由此可看出,大磁通切割面积的工件比小面积的工件更容易取得 高温 。

1.3磁畴摩擦(在铁磁体内存在着有数 个线度约为10-4m的原本 已经磁化了的小区域,这些小区域叫磁畴),铁磁性物质的磁畴,在交变磁场的磁化与逆磁环作用下,剧烈 摩擦,发作 高温 。这个机制在铁磁性物质中占主导。

由此可看出,分别 质料的工件,因为 加热的机制分别 ,酿成的 加热效果也不样。其中铁磁物质三中机制都占,加热效果好。铁磁质加热到居里点以上时,转为顺磁性,磁畴机制减退消逝 。这时只能靠剩余两个机制继续 加热。

当工件越过居里点后,磁感应现 象削弱 ,线圈等效阻抗大幅下降,致使谐振回路电流增大。越过居里点后,线圈电感量也随着下降。LC回路的固有谐振频率会发作 转变 。致使牢靠 鼓舞 方式的加热器失谐而形成 装备 损坏或效率大减。

二、为何 要接纳谐振?招待 纳何种谐振?

2.1先回覆个效果 。我已经 以为只需 往感应加热线圈中通入足够强的电流,就成台感应加热装备 了。也对此做了个实验。

实验中确实 有加热效果,可是 远远没有抵达 电源的输入 功率应有的效果。这是为何 呢,lu先生短视频app最新地址来剖析 下,显然,关于 牢靠 的工件,加热效果与逆变器理想 输入 功率成正比 。关于 感应线圈,基本 泛起纯理性 ,也就是其间的电流转变 持久 落伍 于中间 电压的转变 ,也就是说电压抵达 峰值的时间 ,电流还未抵达 峰值,功率因数很低。lu先生短视频app最新地址知道 ,功率即是电压波形与电流波形的堆叠 面积,而在电感中,电流与电压波形是错开个角度的,这时的堆叠 面积很小,即使 其中经过 了严重 的电流,也是做无劳累 。这是若是 单纯的盘算P=UI,取得 的只是无功功率。而关于 电容,正好相反,其间的电流持久 超前于电压转变 。若是 将电容与电感组成串联或并联谐振,个超前,个滞后,谐振时正好抵消掉。是以 电容在这里也叫功率赔偿电容。这时从鼓舞 源来看,相当于向个纯阻性负载供电-好文章-,电流波形与电压波形完全重合,输入 大的有功功率。这就是为何 要接纳串(并)赔偿电容组成谐振的主要 缘故原由 。

2.2第二个效果 ,LC谐振有串联谐振和并联谐振,该接纳什么结构 呢。

说得直白点,并联谐振回路,谐振电压即是鼓舞 源电压,而槽路(TANK)中的电流即是鼓舞 电流的Q倍。串联谐振回路的槽路电流即是鼓舞 源电流,而L,C中间 的电压即是鼓舞 源电压的Q倍,相提并论 。

从电路结构 来看:

关于 恒压源鼓舞 (半桥,全桥),应当 接纳串联谐振回路,因为 供电电压恒定,电流越大,输入 功率也就越大,关于 串联谐振电路,在谐振点时整个回路阻抗小,谐振电流也抵达 大值,输入 大功率。串联谐振时,空载的回路Q值高,L,C中间 电压较高,槽路电流白白铺张 在回路电阻上,发烧严重 。

关于 恒流源鼓舞 (如单管电路),招待 纳并联谐振,自在 谐振时LC端电压很高,是以 能取得 很大功率。并联谐振有个很主要 的低贱 ,就是空载时回路电流小,发烧功率也很小。值得提的是,从实验效果来看,异样 的谐振电容和加热线圈,异样 的驱动功率,并联谐振适宜 加热体积较大的工件,串联谐振适宜 加热体积小的工件。

三、 制造 历程

明白 了以上原理后,可以着手打造lu先生短视频app最新地址的感应加热装备 了。lu先生短视频app最新地址制造 的这个装备 主要 由调压整流电源、锁相环、死区时间 发作 器、GDT电路、MOS桥、阻抗变幻 变压器、LC槽路以及散热系统 几大局限 组成。

lu先生短视频app最新地址再来对组成系统 的原理图举行 些剖析 ,如下:

槽路局限 :

C1、C2、C3、L1以及T1的次(左侧)配合组成了个串联谐振回路,因为 变压器次存在漏感,回路的走线也存在漫衍电感,以是 理想 谐振频率要比单纯用C1-C3容量与L1电感量盘算的谐振频率略低。图中L1理想 上为1uH,我将漏感漫衍电感等加在内里 以是 为1.3uH,参数谐振频率为56.5KHz。

从逆变桥输入 的高频方波鼓舞 信号从J2-1输入 ,经过 隔直电容C4及单刀双掷开关S1后进入T1的初,然后流经1:100电流

互感器后从J2-2回流进逆变桥。在这里,C4单纯作为隔直电容,不参与 谐振 ,是以 应选择容量足够大的无感无性电容,这里选用CDE无感吸收电容1.7uF 400V五只并联以降低发烧。

S1的作用为阻抗变幻 比切换,当开关打到下面 触点时,变压器的匝比为 35:0.75,折合阻抗变比为2178:1;当开关打到下面 触点时,变压器匝比为24:0.75,折合阻抗变比为1024:1。为何要设置这个阻抗变比切换,主要 基于以下缘故原由 。(1)铁磁性工件的尺寸决议 了整个串联谐振回路的等效电阻,尺寸越大,等效电阻越大。(2)回路空载和带载时等效电阻分别 严重 ,若是 空载时变比过低,将形成 逆变桥瞬间 销毁 。

T2是T1初事情电流的取样互感器,因为 匝比为1:100,且负载电阻为100Ω,以是 当电阻上电压为1V时对应T1初电流为1A。该互感器应有足够小的漏感且易于制造 ,宜接纳铁氧体磁罐制造 ,如无磁罐也可用磁环取代。在调试电路时,可经过 示波器检测J3中间 电压的波形外形 和幅度而相识 电路的事情形状 ,频率,电流等参数,亦可作为过流掩护的取样点。

J1端子输入 谐振电容中间 的电压信号,当电路谐振时,电容电压与T1次电压存在90°相位差,将这个信号送入后续的PLL锁相环,就可以 自动调治时鼓舞 频率一直 即是谐振频率。且相位恒定。

L1,T1 线圈均接纳紫铜控制 造 ,事情中,线圈发烧严重,参与 水冷措施以保险 长时间 喧嚣 事情。为保险 优秀 的传输特征 以及防止 磁饱和,T1接纳两个 EE85磁芯叠合运用 ,在绕制线圈时需先用木板做个比磁芯舌截面稍微 大点的模子,在下面 绕制好后脱模。

PLL锁相环局限 :

PLL是整个电路的焦点,请自行查阅书籍或网络。 以U1五端单片开关电源芯片LM2576-adj为焦点的斩波稳压开关电路为整个PLL板提供动摇 的,功率微弱 的电源。提供15V2A的动摇 电压。因为 接纳15V的VDD电源,芯片只能接纳CD40xx系列的CMOS器件,74系列的不行 在此电压下事情。

CD4046 锁相环芯片的外部 VCO振荡信号从4脚输入 ,方面送到U2为焦点的死区时间 发作 器,用以驱动后电路。另方面回馈到CD4046的鉴相器输入 B端口3 脚。片内VCO的频率规模由R16、R16、W1、C13的值配合决议 ,如图参数时,随着VCO控制电压0-15V转变 ,振荡频率在20KHz- 80KHz之间转变 。

从谐振槽路Vcap接口J1送出去 的电压信号从J4接口输入 PLL板,经由 R14,D2,D3组成的钳位电路后,送入 CD4046的鉴相器输入 A端口14脚。这里要注重 的是,Vcap电压的相位要倒相输入 ,才干 构成 负反应 。D2,D3宜接纳低结电容的检波管或开关管如 1N4148、1N60之类。

C7、C12为CD4046的电源退耦,旁路掉电源中的高频重量 ,使其动摇 事情。

如今 说说事情流程,lu先生短视频app最新地址选用的是CD4046内的鉴相器1(XOR异或门)。关于 鉴相器1,当两个输人端信号Ui、Uo的电平形状 相异时(即个高电平,个为低电平),输入 端信号UΨ为高电平;反之,Ui、Uo电平形状 相反 时(即两个均为高,或均为低电平),UΨ输入 为低电平。当Ui、Uo的相位差Δφ在0°-180°规模内转变 时,UΨ的脉冲宽度m亦随之改动 ,即占空比亦在改动 。从竞赛 器Ⅰ的输入 和输入 信号的波形可知,其输入 信号的频率即是输入 信号频率的两倍,而且与两个输入 信号之间的中央 频率维持 90°相移。从图中还可知,fout约略 是对称波形。对相位竞赛 器Ⅰ,它要求Ui、Uo的占空比均为50%(即方波),这样才干 使锁定规模为大。

当14脚与3脚之间的相位差发作 转变 时,2脚输入 的脉宽也随着转变 ,2脚的PWM信号经由 U4为焦点的有源低通滤波器后取得 个较为平滑的直流电平,将这个直流电平作为VCO的控制电压,就能构成 负反应 ,将VCO的输入 信号与14脚的输入 信号锁定为相反 频率,牢靠 相位差。

关于死区发作 器,本电路中,以U2 CD4001四2输入 端与非门和中心 R8,R8,C10,C11配合组成,运用 了RC充放电的延迟时间 ,将实时信号与延迟后的信号做与运算,取得 个适宜 的死区。死区时间 巨细由R8,R8,C10,C11配合决议 。如图参数,为1.6uS左右。在理想 设计安设 的时间 ,C10或C11应运用 68pF的瓷片电容与5-45pF的可调电容并联,以利便 调整两组驱动波形的死区对称性。

关于输入 ,从死区时间 发作 器输入 的电平信号,仅有微弱的驱动才干 ,lu先生短视频app最新地址将其输入 功率缩小 到定水平 才干 有用 地推进 后续的GDT(门驱动变压器)局限 ,Q1-Q8组成了双性射跟随 器,俗称图腾柱,将较高的输入 阻抗变幻 为低的输入 阻抗,适宜 驱动功率负载。 R10.R11为上拉电阻,增强 CD4001输入 的“1”电平的强度。有人会问设计两图腾能否 多余,我最先 也这么以为 ,实验 时单用 TIP41,TIP42为图腾输入 ,实验 后发现高电平平顶斜降带载后竞赛 严重,剖析 为此型号晶体管的hFE过低惹起 ,增添 前8050/8550推进 后,平顶斜降消逝 。

GDT门驱动电路:

MOSFET的门驱动电路,接纳GDT驱动的利益就是即使 驱动出效果 ,也不成 能泛起共态导通鼓舞 电平。

留适当的死区时间 ,这个电路死区大到1.6uS。而且MOSFET开关迅速,没有IGBT的拖尾,很难炸管。而且MOS的米勒效应小许多。

电路处于ZVS形状 ,管子2KW下事情基本 不发烧,热击穿不复存在。

从PLL板输入 的两路倒相驱动信号,从GDT板的J1,J4接口输入 ,经由 C1-C4隔直后送入脉冲隔离变压器T1-T4。R5,R6的存在,降低了隔直电容与变压器初的振荡Q值,起到镌汰 过冲和振铃的作用。从脉冲变压器输入 的±15V的浮地脉冲,经过 R1-R4限流缓冲(延伸 对Cgs的充电时间 ,减缓守旧 斜率)后,齐纳二管ZD1-ZD8对脉冲举行 双向钳位,后经由J2,J3,J5,J6端子输入 到四个MOS管的GS。这里因为 关断时代 为 -15V电压,即使 有大批 的电平发抖也不会使MOS管异常守旧 ,形成 共态导通。注重 ,J2,J3用以驱动个对角的MOS管,J5,J6用于驱动另个对角的mos管。 为了有用 运用 之前PLL板输入 的功率以及减小驱动板高度,这里接纳4只脉冲变压器划分对4支管子举行 驱动。脉冲变压器T1- T4均接纳EE19磁芯,不开气隙,初次 均用0.33mm漆包线绕制30T,为提高 绕组间耐压起见,并未 接纳双线并绕。而是先绕初,用耐高温 胶带3 层缘后再绕次,接纳密绕方式,注重 图中+,-号表现 的同名端。C1-C4均接纳CBB无性电容。其他 按电路参数。

电源局限 :

市电电压经由 自耦调压器后从J2输入 ,经由 B1全波整流后送入C1-C4举行 滤波。为了在MOS桥开关时代 ,维持 母线电压恒定(恒压源),故没有参与 滤波电感。C1,C2为MKP电容,主要 作用为全桥钳位历程时代 的逆向突波吸收。整流滤波后的脉动直流从 J1输入 。

全桥局限 :

MOSFET桥电路结构 竞赛 简朴 ,不再赘述。强调下,各个MOS管的GS到GDT板之间的引线,尽量 样长,但应小于250px。接纳双绞线。MOS管的选取应遵照 以下要求:开关时间 小于100nS、耐压高于500V、外部 自带阻尼二管、电流大于 20A、耗散功率大于150W。

四、散热系统

槽路局限 的阻抗变幻 变压器次以及感应线圈局限 ,在满功率输入 时,流经的电流抵达 500A之巨,若是 没有强有力的冷却措施,将在短时间 内过热销毁 。

该系统 宜接纳水冷措施,运用 铜管自己 作为水流通路。泵接纳隔膜 泵,是能自吸,二是压力高。电路接纳的是国产普兰迪隔膜 泵,输入 压力抵达 0.6MPa,轻松在3mm内径的铜管中完成 大流量水冷。

五、组装

组装注重 GDT局限 ,输入 端口的1脚接G,2脚接S,双绞线长度小于250px。

六、调试

该电路的调试竞赛 简朴 ,主要 分以下几个顺序 举行 。

1. PLL板全体 成效 检测。电路组装好后,先断开高压电源,将PLL板JP1跳线的2,3脚短路,使VCO输入 牢靠 频率的方波。然后用示波器划分检测四个MOS管的GS电压,看能否 知足 相位和幅度要求。对角的波形同相,同臂的波形反相。幅度为±15V。若是 此顺序 无效果 ,举行 下步。若是 波形相位异常,检测双绞线毗邻 能否 有误。

2.死区时间 对称性调整。用示波器监测同臂的两个MOS的GS电压,调治PLL板C10或C11并联的可调电容,使两个MOS的GS电压的高电平宽度基本 致即可。死区时间 分别 过大的话,容易形成 在振荡的前几个周期内,就形成 磁芯的累计偏磁而发作 饱和炸管,隔直电容能减轻 这情形 。

3. VCO 中央 频率调整。PLL环路中,VCO的中央 频率在谐振频率周围 时,能取得 大的跟踪拘捕 规模,是以 有需要 举行 个调整。槽路局限 S1切换到上方触点,PLL板JP1跳线的2,3脚短路,使VCO控制电压处于0.5VCC,W2置于中点。经过 自耦调压器将高压输入 调治在30VAC。用万用表交流电流档监测高压输入 电流,同时用示波器监测槽路局限 J3接口电压,缓慢 调治PLL板的W1,使J3电压为尺度正弦波。此时,电流表的示数也为大值。这时谐振频率与VCO中央 频率基内情 等。电流波形尺度正弦波,与驱动波形滞后200nS左右。


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