Cum se proiectează un circuit de încălzire cu inducție

Articolul explică un tutorial pas cu pas cu privire la proiectarea propriului circuit de încălzire cu inducție de bază de casă, care poate fi, de asemenea, utilizat ca blat de inducție.

Conceptul de bază al încălzitorului cu inducție

S-ar putea să fi întâlnit multe circuite de încălzire cu inducție DIY online, dar nimeni nu pare să fi abordat secretul crucial din spatele implementării unui design perfect și de succes al încălzitorului cu inducție. Înainte de a cunoaște acest secret, ar fi important să cunoaștem conceptul de bază al unui încălzitor cu inducție.

Un încălzitor cu inducție este de fapt o formă extrem de „ineficientă” de transformator electric, iar această ineficiență devine principala sa caracteristică avantajoasă.

Știm că într-un transformator electric miezul trebuie să fie compatibil cu frecvența indusă și, atunci când există o incompatibilitate între frecvență și materialul de bază într-un transformator, rezultă generarea de căldură.

În esență, un transformator cu miez de fier va necesita o gamă mai mică de frecvență în jur de 50 până la 100Hz și, pe măsură ce această frecvență este crescută, nucleul poate prezenta o tendință de încălzire proporțională. Asta implică, dacă frecvența este crescută la un nivel mult mai mare poate fi peste 100kHz, ar rezulta generarea de căldură extremă în interiorul miezului.

Da, exact așa se întâmplă cu un sistem de încălzire cu inducție în care blatul acționează ca miezul și, prin urmare, este format din material de fier. Și bobina de inducție este supusă unei frecvențe ridicate, împreună rezultând generarea unei cantități proporționale de căldură pe vas. Deoarece frecvența este optimizată la un nivel semnificativ ridicat asigură o căldură maximă posibilă pe metal.

Acum să continuăm și să aflăm aspectele importante care ar putea fi necesare pentru proiectarea unui circuit de încălzire cu inducție de succes și corect din punct de vedere tehnic. Următoarele detalii vor explica acest lucru:

Ce vei avea nevoie

Cele două lucruri de bază necesare pentru construirea oricărui vas de inducție sunt:

1) O bobină bifilară.

2) Un circuit reglabil al generatorului de frecvență

Am discutat deja câteva circuite de încălzire cu inducție pe acest site web, le puteți citi mai jos:

Circuit de încălzire cu inducție solară

Circuitul încălzitorului cu inducție utilizând IGBT

Circuit simplu de încălzire cu inducție - Circuit aragaz cu placă fierbinte

Mic circuit de încălzire cu inducție pentru proiectul școlar

Toate legăturile de mai sus au cele două lucruri de mai sus în comun, adică au o bobină de lucru și un stadiu de oscilator al driverului.

Proiectarea bobinei de lucru

Pentru proiectarea unei vase de inducție, bobina de lucru ar trebui să aibă o natură plană, prin urmare trebuie să fie de tip bifilar cu configurația sa, așa cum se arată mai jos:

Designul de tip bobină bifilară prezentat mai sus poate fi implementat în mod eficient pentru fabricarea ustensilelor dvs. de casă cu inducție.

Pentru un răspuns optim și o generare redusă de căldură în interiorul bobinei, asigurați-vă că firul bobinei bifilare este realizat folosind multe fire subțiri de cupru în loc de un singur fir solid.

Astfel, aceasta devine bobina de lucru a vaselor de gătit, acum capetele acestei bobine trebuie pur și simplu să fie integrate cu un condensator de potrivire și o rețea de driver de frecvență compatibilă, așa cum se arată în figura următoare:

Proiectarea circuitului de driver rezonant din seria H-Bridge

Până în prezent, informațiile ar fi trebuit să vă lumineze cu privire la modul de configurare a unei vase simple cu inducție sau a unui design cu plită de inducție, cu toate acestea, cea mai critică parte a proiectării este cum să rezonați rețeaua condensatorului bobinei (circuitul rezervorului) în intervalul cel mai optim, astfel încât circuitul funcționează la cel mai eficient nivel.

Pentru a permite circuitului rezervorului bobinei / condensatorului (circuit LC) să funcționeze la nivelul lor de rezonanță, este necesară potrivirea perfectă a inductanței bobinei și a capacității condensatorului.

Acest lucru se poate întâmpla numai atunci când reactanța ambelor părți este identică, adică reactanța bobinei (inductorului), precum și a condensatorului sunt aproximativ aceleași.

Odată ce acest lucru este remediat, vă puteți aștepta ca circuitul rezervorului să funcționeze la frecvența sa naturală, iar rețeaua LC să atingă punctul de rezonanță. Acesta se numește un circuit LC perfect reglat.

Aceasta încheie procedurile de bază de proiectare a circuitului încălzitorului cu inducție

S-ar putea să vă întrebați ce este rezonanța unui circuit LC. ?? Și cum se poate calcula acest lucru rapid pentru finalizarea unui proiect specific de încălzire cu inducție? Vom discuta pe larg în următoarele secțiuni.

Paragrafele de mai sus au explicat secretele fundamentale din spatele dezvoltării unui blat de inducție cu cost redus, dar eficient la domiciliu, în următoarele descrieri vom vedea cum se poate implementa acest lucru calculând în mod specific parametrii săi cruciali, cum ar fi rezonanța circuitului său LC reglat și dimensiunea corectă a firul bobinei pentru asigurarea unei capacități optime de manipulare a curentului.

Ce este rezonanța în circuitul LC al încălzitorului cu inducție

Când condensatorul dintr-un circuit LC acordat este încărcat momentan, condensatorul încearcă să descarce și să descarce sarcina acumulată peste bobină, bobina acceptă sarcina și stochează sarcina sub formă de câmp magnetic. Dar de îndată ce condensatorul s-a descărcat în proces, bobina dezvoltă o cantitate aproape echivalentă de sarcină sub formă de câmp magnetic și acum încearcă să forțeze acest lucru înapoi în interiorul condensatorului, deși cu o polaritate opusă.

Imagine curtoazie:

Wikipedia

Condensatorul este din nou forțat să se încarce, dar de data aceasta în direcția opusă și, de îndată ce este complet încărcat, încearcă din nou să se golească de-a lungul bobinei, iar acest lucru are ca rezultat o împărțire înainte și înapoi a sarcinii sub forma unui curent oscilant în întreaga rețea LC.

Frecvența acestui curent oscilant devine frecvența de rezonanță a circuitului LC acordat.

Cu toate acestea, datorită pierderilor inerente, oscilațiile de mai sus se sting în cele din urmă în timp, iar frecvența, încărcarea se termină după ceva timp.

Dar dacă frecvența este permisă să se mențină printr-o intrare externă de frecvență, reglată la același nivel de rezonanță, atunci aceasta ar putea asigura un efect de rezonanță permanent indus în circuitul LC.

La frecvența de rezonanță ne putem aștepta ca amplitudinea tensiunii oscilante în circuitul LC să fie la nivelul maxim, rezultând cea mai eficientă inducție.

Prin urmare, putem implica că, pentru a implementa o rezonanță perfectă într-o rețea LC pentru un design de încălzire cu inducție, trebuie să asigurăm următorii parametri cruciale:

1) Un circuit LC reglat

2) Și o frecvență potrivită pentru a susține rezonanța circuitului LC.

Acest lucru poate fi calculat folosind următoarea formulă simplă:

F = 1 ÷ 2π X √LC

unde L este în Henry și C este în Farad

Dacă nu doriți să treceți prin problemele de calculare a rezonanței rezervorului bobinei LC prin formulă, o opțiune mult mai simplă ar putea fi utilizarea următorului software:

Calculator de frecvență rezonantă LC

Sau puteți construi și acest lucru Contor de grilă pentru identificarea și setarea frecvenței de rezonanță.

Odată identificată frecvența de rezonanță, este timpul să setați IC-ul full-bridge cu această frecvență de rezonanță prin selectarea adecvată a componentelor de sincronizare Rt și Ct. Acest lucru se poate face prin unele încercări și erori prin măsurători practice sau prin următoarea formulă:

Următoarea formulă poate fi utilizată pentru calcularea valorilor Rt / Ct:

f = 1 / 1.453 x Rt x Ct unde Rt este în ohmi și Ct în Farads.

Utilizarea rezonanței seriei

Conceptul de încălzire cu inducție discutat în această postare utilizează un circuit rezonant în serie.

Când se folosește un circuit LC rezonant în serie, avem un inductor un (L) și un condensator (C) conectați în serie, așa cum se arată în următoarea diagramă.

Tensiunea totală V aplicat în seria LC va fi suma tensiunii pe inductor L și tensiunea pe condensatorul C. Curentul care circulă prin sistem va fi egal cu curentul care curge prin componentele L și C.

V = VL + VC

I = IL = IC

Frecvența tensiunii aplicate afectează reactanțele inductorului și condensatorului. Pe măsură ce frecvența crește de la o valoare minimă la o valoare mai mare, reactanța inductivă XL a inductorului va crește proporțional, dar XC, care este reactanța capacitivă, va scădea.

Cu toate acestea, în timp ce frecvența crește, va exista o instanță sau un prag special atunci când magnitudinile reactanței inductive și ale reactanței capacitive vor fi doar egale. Această instanță va fi punctul rezonant al seriei LC și frecvența poate fi setată ca frecvență rezonantă.

Prin urmare, într-un circuit rezonant serie, rezonanța va apărea când

XL = XC

sau, ωL = 1 / ωC

unde ω = frecvența unghiulară.

Evaluarea valorii lui ω ne oferă:

ω = ωo = 1 / √ LC, care este definit ca frecvența unghiulară rezonantă.

Înlocuind acest lucru în ecuația anterioară și, de asemenea, convertind frecvența unghiulară (în radiani pe secundă) în frecvență (Hz), obținem în cele din urmă:

fo = ωo / 2π = 1 / 2π√ LC

fo = 1 / 2π√ LC

Calculul dimensiunii firului pentru bobina de lucru a încălzitorului cu inducție

După ce ați calculat valorile optimizate ale L și C pentru circuitul rezervorului încălzitorului cu inducție și ați evaluat frecvența exactă compatibilă pentru circuitul conducătorului auto, este timpul să calculați și să stabiliți capacitatea de manipulare curentă a bobinei de lucru și a condensatorului.

Deoarece curentul implicat într-un proiect de încălzire cu inducție ar putea fi substanțial mare, acest parametru nu poate fi ignorat și trebuie atribuit corect circuitului LC.

Utilizarea formulelor pentru calcularea dimensiunilor firelor pentru o dimensiune a firelor de inducție poate fi puțin dificilă, în special pentru noii veniți, și tocmai de aceea a fost activat un site special pentru același site pe acest site, pe care orice hobby interesat îl poate folosi pentru dimensionați firul de dimensiune potrivită pentru circuitul tău de gătit cu inducție.