DOI 10.57112/22022-30
УДК 621.365.5
ПОРТАТИВНЫЙ ИНДУКЦИОННЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬ
Гарифуллин Павел Евгеньевич
Сташко Василий Иванович
Аннотация:
В статье описан технологичный, не дорогой индукционный нагреватель, обладающий повышенной эффективностью, надежностью и относительно небольшим энергопотреблением. В данном случае предлагается замена традиционной полумостовой транзисторной схемы на автогенераторную схему, что увеличит безопасность и надежность устройства, упростит схему электрическую принципиальную индукционного нагревателя, уменьшит количество электронных компонентов, снижает себестоимость, позволит увеличить мощность, и повысит КПД устройства.
Ключевые слова: Индукционный нагреватель, индукционный нагрев, полумостовая схема, автогенераторная схема, диоды, транзисторы, радиотехника, энергетика, электроника.
Устройство относится к силовой электронике, в частности к способам и устройствам индукционного нагрева. Основной задачей при разработке данного устройства являлось упрощение схемотехники, повышение мощности, снижение себестоимости изделия и повышение надежности. В процессе исследований рассматривались аналогичные разработки применяемые для индукционного низкотемпературного нагрева металлических изделий [1].
Основной технический результат, которого необходимо было достичь – это снижение напряжения в электрических цепях и на электронных компонентах устройства до уровня выпрямленного напряжения электросети. При этом сущность устройства должна заключаться в том, что для формирование высокочастотного напряжения для индукционного нагревателя необходимо было применить автогенераторную мостовую схему.
Выполнение устройства по мостовой автогенераторной схеме обеспечивает трехкратное снижение высокого напряжения на элементах схемы, до уровня выпрямленного значения питающего напряжения 220-240 вольт 50-60 Гц и составляет 310-340 вольт, что повышает безопасность и надежность устройства, упрощает принципиальную электрическую схему индукционного нагревателя, уменьшает количество электронных компонентов, снижает себестоимость, позволяет увеличить мощность, и повысить КПД устройства.
За основу был взят портативный нагреватель вихретокового (гистерезисного) нагревателя, аналог US6670590, МПК H05B6/02, H05B6/06, H05B6/14 [2], который используется в ремонте автомобилей (рисунок 1).
Устройство содержит вихретоковый (гистерезисный) контур, подключенный к источнику питания со множеством индукторов, функционально подключенных к схеме. Но, недостатками такой схемы является низкое напряжение источника питания устройства (110 В, 60 Гц), что делает невозможным его применение при питающем напряжении 220-240 вольт 50-60 Гц. Т.е., при использовании напряжения в 220 В и выше, в некоторых цепях схемы возникает перенапряжение до 1200 В, что приводит к повреждению электронных компонентов [2].
Рисунок 1 — Портативный индукционный нагреватель [2]
Также, недостатком предлагаемой схемы является наличие в ней транзисторного полумоста и высокого напряжения на коллекторах транзисторных ключей, которые генерирую на высокочастотном трансформаторе напряжение около 1000 В, что более чем в три раза превышает выпрямленное напряжение сети. Как следствие этого, возникает необходимость использовать в данном устройстве дорогих высоковольтных (выше 1200 В) транзисторов и защитных диодов-сапрессоров для ограничения уровня напряжения. Особое внимание необходимо уделить и электроизоляционным материалам используемым при изготовлении трансформатора, которые должны быть рассчитаны на напряжение 1200 В. Есть и другие проблемы, например, из-за коэффициента трансформации Ктр=15, снизилась нагрузочная способность устройства, увеличилась величина резонансной индуктивности (это индуктивность индуктора, трансформированная со вторичной стороны трансформатора в первичную) и т.д. Максимальная мощность этого устройства составляет 1000 Вт.
Учитывая вышеизложенные недостатки, было решено выполнить устройство по мостовой (вместо полумостовой) автогенераторной схеме, что обеспечивает трехкратное снижение высокого напряжения на элементах схемы до уровня выпрямленного значения питающего напряжения 220-240 В 50-60 Гц. Соответственно, такое решение повышает безопасность и надежность устройства, упрощает принципиальную электрическую схему индукционного нагревателя, одновременно с эти уменьшается количество электронных компонентов, снижается себестоимость. Как результат, при тех же массогабаритных характеристиках увеличивается мощность устройства, и, в отличии от полумостовой схемы возрастает КПД. На рисунке 2 изображена принципиальная электрическая схема, поясняющая работу предлагаемого устройства.
Конструктивно, портативный индукционный нагреватель аналогичен прототипу. Он состоит (рисунок 1) из корпуса 1, вентилятора 3, выпрямителя 4, инвертора 5, трансформатора 6, узла крепления сменных индукторов 7, крепежных элементов 8, индуктора 9. Нагреватель подключается к источнику питания посредство шнура 2.
Рисунок 2 - Устройство нагревателя по мостовой схеме
Устройство работает следующим образом.
Напряжение электросети переменного тока с напряжением 220-240 В 50-60 Гц поступает на выпрямитель 4. Далее, выпрямленное напряжение подается на инвертор 5, который совместно с трансформатором 6 и индуктором 9 формирует резонансное напряжение в контуре индуктора 9. Индуктор 9 может быть выполнен в виде катушки, либо плоской спирали, либо в виде изолированного провода. Металлическая деталь, внесенная в электромагнитное поле индуктора 9 (внесена внутрь катушки, расположена под плоской спиралью, обмотана проводом индуктора) подвергается нагреву за счет токов Фуко, наводимых в металле нагреваемой детали [2].
Рассмотрим работу устройства согласно принципиальной схемы приведённой на рисунке 2.
Напряжение электросети 220-240 вольт 50-60 Гц поступает на вход диодного моста VD3, соединенного выходными выводами «+» и «-» с шинами +310-340 В и -310-340 В, выпрямляется, преобразуется в постоянное, далее пульсации постоянного напряжения сглаживаются конденсаторами фильтра С3, С4, С5, С6, С7, которые соединены положительными выводами с шиной +310-340В, отрицательными с шиной -310-340В. Это напряжение поступает на мостовой автогенераторный преобразователь, выполненный на транзисторах VT1, VT2, VT3, VT4, диодах VD4, VD8, VD17, VD18, трансформаторах TV1, TV2, индукторе Lind1. При этом коллектор транзистора VT1 соединен с шиной +310-340В, его эмиттер соединен с выводом «a» первичной обмотки трансформатора TV2, Диод VD4 катодом подключен к коллектору VT1, анодом к эмиттеру VT1. Транзистор VT2 коллектором соединен с эмиттером VT1, эмиттер VT2 соединен с шиной -310-340В, диод VD8 катодом подключен к коллектору VT2, анодом к эмиттеру VT2. Затвор VT2 соединен с R5 и анодом VD10, катод VD10 соединен со вторым выводом R5 и выводом второй обмотки TV1/2, её второй вывод подключен к шине -310-340В. Затвор VT1 соединен с R4 и анодом VD9, катод VD9 соединен со вторым выводом R4 и выводом первой обмотки TV1/1, её второй вывод подключен к эмиттеру VT1.
Вывод «b» первичной обмотки трансформатора TV2 соединен с одним из выводов конденсаторов С11, С12 анодом диода VD17 и катодом VD18, второй вывод С11 и катод VD17 подключены к шине +310-340В, второй вывод С12 и анод VD18 подключены к шине -310-340 В.
Индуктор Lind1, подключенный ко второй обмотке трансформатора TV2, совместно образует резонансный колебательный контур. Частота этого контура задается параметрами С11, С12 и Lind1 и находится в диапазоне 10-80 кГц. В зависимости от величины индуктивности сменных индукторов Lind1 и наличия либо отсутствия нагрузки в виде нагреваемого металлического предмета, индуктивность резонансного контура изменяется, что приводит к изменению резонансной частоты.
Это изменение через третью обмотку трансформатора TV2, резистор R9, передается на третью обмотку трансформатора TV1/3. При этом вывод «f» третьей обмотки TV2 соединен с резистором R9, второй вывод которого подключен к третьей обмотке TV1/3, параллельно которой подключен VD12. Второй вывод третьей обмотки TV1/3 соединен с выводом «e» третьей обмотки трансформатора TV2.
Диод VD12 выполняет функцию ограничения амплитуды сигнала обратной связи по напряжению. Это напряжение обратной связи с обмоток трансформатора TV1/1 и TV1/2 в противофазе поступает на затворы транзисторов VT1 и VT2 через R4, R5, VD9, VD10, открывая и закрывая их и поддерживая контур в резонансе, изменяя частоту в зависимости от величины индуктивности рабочего индуктора. Диоды VD17, VD18 ограничивают максимальное напряжение первичной обмотки трансформатора TV2, являющейся частью резонансного контура, на уровне напряжения питания, а также служат для симметрирования схемы. R1, R2, R12, R3, VD5, C8, R13, VD6 предназначены для первоначального запуска схемы. R1 верхним по схеме выводом соединен с шиной +310-340 В, нижним выводом соединен с верхним по схеме выводом R2, который нижним выводом соединен с верхним выводом R12, нижний вывод которого подключен к С8, R13, R3. Второй вывод резистора R13 соединен с динистором VD6, второй вывод которого подключен к затвору транзистора VT2. Нижний вывод С8 соединен с шиной -310-340 В. Второй вывод R3 соединен с анодом диода VD5, катод которого подключен к коллектору VT2.
Оптосимистор ОС1 с элементами R6, R10, R11, D11, R7, TS1, S1, R14 служит для остановки/запуска генерации схемы. R6 верхним по схеме выводом соединен с шиной +310-340 В, далее последовательно подключены R10, R11, второй вывод R11 соединен с R7, с катодом VD11 и первым выводом ОС1. Второй вывод ОС1 и анод VD11 подключены к шине -310- 340 В. Катод VD11 так же соединен с R7, второй вывод R7 соединен с С9 и термостатом TS1, который вторым выводом подключен к кнопке S1,вторым выводом соединенной с шиной -310-340 В, второй вывод С9 соединен с шиной -310-340 В. Шестой вывод ОС1 соединен с R14, который вторым выводом подключен к R9, VD12, обмотке TV1/3. Четвертый вывод ОС1 соединен с VD12, обмоткой TV1/3, выводом «е» третьей обмотки TV2.
Цепь VD1, C1, NTC1, VD2, C2 формирует напряжение питания для вентилятора M1 системы охлаждения устройства. Напряжение электросети 220-240 В 50-60 Гц поступает на вход диодного моста VD1 последовательно через конденсатор С1. Вывод «-» VD1 соединен с шиной -310-340 В, «+» с термистором NTC1. Второй вывод NTC1 подключен к катоду VD2, конденсатору С2, вентилятору М1. Вторые выводы VD2, С2, М1 соединены с шиной -310-340 В.
Цепь VD13, VD14, VD15, VD16, R8, четвертая обмотка трансформатора TV2 служит для питания светодиода HL1. Вывод четвертой обмотки TV2 соединен с анодом VD13 и катодом VD14, второй вывод четвертой обмотки TV2 соединен с анодом VD15 и катодом VD16. Катоды VD13 и VD15 соединены между собой и резистором R8, второй вывод которого подключен к аноду светодиода HL1, катод которого соединен с анодами VD14 и VD16.
Данное изделие реализовано в виде конкретного оборудования - индукционного нагревателя «МИКРОША-2000» мощностью 2000 Вт.
Формула полезной модели - индукционный нагреватель, содержащий расположенные в корпусе выпрямитель, инвертор, трансформатор, узел крепления сменных индукторов, крепежные элементы, индуктор, отличающийся тем, что дополнительно содержит автогенераторную мостовую схему вместо полумостовой.
Все процессы те же, что и в [2], но из-за использования автогенераторной мостовой схемы мы получаем более безопасное и надежное устройство. Также, упрощается принципиальная электрическая схема, уменьшается количество электронных компонентов, снижается себестоимость. В конечном счёте мощность индукционного нагревателя увеличивается, возрастает КПД устройства.
Список используемой литературы
1. Патент на полезную модель № 75262 U1 Российская Федерация, МПК H05B 3/34, H05B 3/20. Устройство для нагрева цистерны : № 2008109331/22 : заявл. 11.03.2008 : опубл. 27.07.2008 / Н. В. Киншт, Н. Н. Петрунько ; заявитель Институт автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения Российской Академии наук (ИАПУ ДВО РАН). – EDN BHGCWB.
2. Пат. 197581 Российская Федерация, МПК Н 05 В 6/10. Портативный индукционный нагреватель [Текст] / Малик Э. В.; заявитель и патентообладатель Ростовская область, Азовский р-н, г. Азов, ул. Чапаева, 28 Малик Э. В. - № 2020108003; заявл. 25.02.2020; опубл. 15.05.2020, Бюл. № 23 (II ч.). – 1,2,3,4.5,6 с.
Информация об авторах
Сташко В. И. - к.т.н., доцент , Гарифуллин П. Е. - студент группы 8Э-11, ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова», РФ, Алтайский край, г. Барнаул.
-