Простой лабораторный инвертор для индукционного нагрева (ч.2)

Первое включение инвертора
Для первого включения необходимо подключить развязывающий трансформатор и небольшую активную нагрузку. В качестве нагрузки возьмем лампу накаливания на 100 Вт

. Вид собранного для испытаний инвертора представлен на рис.14.

Рис.14. Готовый к испытаниям инвертор.

Первое испытание инвертора проводим по шагам.

Шаг 1. Еще раз проверяем правильность монтажа и сборки инвертора. Полезно убрать все лишнее со стола.

Шаг 2. Включаем питание блока управления. Только блока управления! Высокое напряжение пока не включаем. Смотрим на экране осциллографа сигналы на затворах ключей. Земляной разъем щупа осциллографа подключаем к истоку соответствующего транзистора. Сигналы должны быть похожи на сигналы, представленные на рис.10. В зависимости от используемых транзисторов и драйверов фронты могут быть более пологие. Обязательно проверяем фазировку сигналов. Для этой цели, конечно, лучше двухлучевой осциллограф, но можно и однолучевым. В последнем случае запуск развертки осциллографа необходимо выполнять от отдельного сигнала синхронизации. В качестве такого сигнала удобно использовать один из выходов IR2153 (см. рис.8). Осторожнее с земляными разъемами щупов! В данном случае мы используем трансформаторную развязку, поэтому земляной разъем щупа в силовом блоке можно спокойно подключать к истокам обоих транзисторов полумоста. В противном случае для сигнала синхронизации нужно сделать развязку. Иначе могут быть большие искры.

Шаг 3. Если шаг 2 пройден успешно, подключаем щупы осциллографа параллельно нагрузке. Проверяем положение ручки ЛАТРа. Она должна быть на нуле! После этого включаем высокое напряжение. ЛАТРом плавно поднимаем напряжение до 15-20 В. Контролируем это напряжение по вольтметру выпрямителя. На экране осциллографа мы должны увидеть импульсы напряжения на нагрузке, симметричные относительно нуля (как на рис.15 слева).
 

Рис.15. Осциллограммы сигналов на активных нагрузках. Высокоомная (лампочка 100 Вт, 40 Ом) слева, низкоомная (лампочка 500 Вт, 8 Ом) справа. Щуп с делителем 1:10.

На самом деле это осциллограммы с шага 5. Но на этом шаге сигналы должны быть точно такие же, только меньшей амплитуды. Я их привел здесь для того, чтобы обсудить их форму. Мы видим медленно спадающие в течение dead-time «хвосты» на высокоомной нагрузке (рис.15 слева). Это связано с тем, что в течении dead-time оба транзистора закрыты. Поэтому чисто активная нагрузка вместе со щупом осциллографа просто, как говорят, «висит в воздухе». При отсутствии нагрузки (бесконечное сопротивление) потенциал средней точки (между ключами) вообще не изменяется в течение dead-time. Поэтому не нужно обращать внимание на эти хвосты. При уменьшении сопротивления нагрузки форма сигнала будет приближаться к классической (с «плечиками» dead-time). Чтобы убедиться в этом можно взять более мощную лампочку с меньшим сопротивлением нити накала или вообще другую нагрузку с сопротивлением 10-20 Ом. Осциллограммы для лампочки на 500 Вт приведены на рис.15 справа. Мы видим, что все работает правильно.

Продолжим работу с лампочкой на 100 Вт.

Шаг 4. Изменяем частоту инвертора от минимума да максимума. Форма импульсов не должна радикально меняться. По крайней мере они должны оставаться симметричными относительно нуля.

Шаг 5. Если на шаге 3-4 все нормально, постепенно увеличиваем напряжение до 100-120 вольт. Спираль лампочки начнет светиться. Первая мощность от инвертора получена! «Погоняем» его так минут 30-40. Температура радиатора не должна заметно уходить от комнатной.

Шаг 6. Если осциллограф не позволяет работать при высоких напряжения, то отключим щуп и плавно выведем напряжение на уровень 300-310 В. Лампочка ярко светится. Следим за температурой радиаторов. Если нагрев существенный – придется все-таки возиться с разрядкой затворов MOSFET. В моих экспериментах в течение часа температура радиаторов превысила комнатную лишь на 2-3 градуса. Не таким уж страшным оказалось наше «недозакрывание» транзисторов. Спокойно работаем дальше. Общий вид инвертора во время этого шага представлен на рис.16.

Рис.16. Общий вид инвертора в процессе испытаний (через час работы на шаге 6).

Шаг 7. Быстро выводим ЛАТР в 0 и быстро выключаем все питание (сначала высокое, затем - питание модуля управления с вентилятором). Внешней стороной пальца проверим температуру резисторов снабберов и конденсаторов делителя (R9, R10 и C10, C11). Они не должны быть горячими. Заодно проверим и радиатор. Так, на всякий случай. Вдруг у термопары – плохой тепловой контакт.

Все. Первые испытания инвертора закончены. Теперь можно переходить к индукционному нагреву.
 

Индукционный нагрев это технология, связанная с возбуждением вихревых токов в проводящих образцах для их нагрева. В настоящее время индукционный нагрев широко используется в различных отраслях промышленности и даже в быту (например, бытовые индукционные плитки). Однако, в исследовательской лаборатории индукционный нагрев – пока еще экзотика. Может быть лабораторный инвертор, о котором идет речь в данной статье, облегчит внедрение технологий индукционного нагрева в практику физико-химического эксперимента. Мы продемонстрируем замечательные возможности высокочастотных инверторов на одном красивом примере. Это – плавка металла (алюминия) во взвешенном состоянии. Иногда этот процесс называют плавкой в электромагнитном тигле или просто «левитационной плавкой» (с англоязычного термина «levitation melting»). Здесь высокочастотное электромагнитное поле не только греет и плавит металл, но и удерживает его в пространстве без каких-нибудь тиглей или ограничивающих стенок. Для того, чтобы осуществить такую плавку, нам необходимо изготовить водоохлаждаемую нагрузку с индуктором специальной формы и предусмотреть в системе некоторую дополнительную диагностику. Начнем с нагрузки.
 

Эквивалентная схема нагрузки для индукционного нагрева и плавки представлена на рис.17.

Рис.17. Эквивалентная схема нагрузки для индукционного нагрева.

Трансформатор TR2 изготовлен из двух колец К 45х28х12. Марка феррита М 2000 НМ. Первичная обмотка – 26 витков провода МГТФ 0.75. Эта обмотка подсоединяется непосредственно к выходу инвертора. Роль вторичной обмотки, состоящей из одного витка, выполняет одна из отводных трубок индуктора (медь, диаметр 6 мм), проходящая через центр кольца трансформатора. Индуктор представляет собой катушку, содержащую несколько витков (медная трубка диаметром 4 мм). Индуктор вместе с конденсатором C образует последовательный колебательный контур, на резонансную частоту которого должен быть настроен инвертор. Нагреваемый образец, помещенный в индуктор на эквивалентной схеме можно представить как активное сопротивление, индуктивно связанное с индуктором.

Конструкция собранной нагрузки со специальным индуктором для плавки во взвешенном состоянии показана на рис.18 слева.

Рис.18. Общий вид нагрузки и дополнительной диагностики.

Поскольку данная статья посвящена, в основном, инвертору, а не тонкостям индукционного нагрева, отметим только самые важные моменты, касающиеся конструкции нагрузки.

Во-первых, в нашем колебательном контуре проходят весьма большие токи (сотни ампер). Поэтому медные трубки, образующие индуктор и подводы к нему, при больших мощностях довольно сильно нагреваются. Их нужно обязательно охлаждать. Проще всего использовать водяное охлаждение непосредственно из водопровода. Поскольку в контуре имеется высокое напряжение, необходимо предусмотреть электрическую развязку индуктора от водопровода. Для этого подвод воды делаем тонкими длинными диэлектрическими трубами. Длина этих труб зависит от проводимости водопроводной воды. Проводимость воды в лаборатории автора составляет величину порядка 100 мкСм/см, поэтому развязка в виде трубок диаметром около 6 мм и длиной 5-6 м имеет достаточное для электрической развязки сопротивление (около 50 Мом). Желательно также контролировать и температуру охлаждающей воды. Это легко сделать при помощи металлической вставки в сливной тракт. К ней можно прикрепить термопару, подключенную к недорогому китайскому тестеру, в котором есть режим измерения температуры (рис. 18 в левом верхнем углу). Очень удобно - сразу видно, если забыл включить воду для охлаждения.

Во-вторых, конденсатор C колебательного контура должен быть рассчитан на довольно большую реактивную мощность. Необходимо использовать либо специальные конденсаторы для индукционного нагрева, либо набирать батарею из достаточно большого количества пленочных конденсатором меньшей емкости, включенных параллельно. В данном контуре конденсаторная батарея содержит 40 полипропиленовых высоковольтных конденсаторов CBB81. Емкость каждого конденсатора - 0.033 мкФ, рабочее напряжение 2 кВ. Общая емкость батареи – 1.32 мкФ. Тангенс угла потерь их составляет 0.0008. Поэтому на каждом конденсаторе выделяются в виде тепла лишь десятые доли ватта. Конденсаторы смонтированы свободно и хорошо охлаждаются конвективными потоками воздуха. Поэтому, даже после получаса работы на максимальной мощности они нагреваются незначительно (на 10-20 градусов).

И, в-третьих. Для устойчивой левитационной плавки, конструкция катушки индуктора должна иметь специальную форму. В данном случае индуктор выполнен из медной трубки диаметром 4 мм в виде конуса. Угол между образующей и горизонталью равен 65°. Индуктор содержит четыре витка в прямом направлении и один – в обратном (противовиток). Это нужно для того, чтобы внутри индуктора была область, в которой поле меньше, чем вокруг нее. Проводник, помещенный в переменное электромагнитное поле, выталкивается в область меньших полей. Поэтому без области с минимальным полем положение образца внутри индуктора будет неустойчивым. Для левитационной плавки небольших образцов коническая конструкция индуктора с противовитком – одна из самых простых, но эффективных. Подробнее о плавке во взвешенном состоянии и сравнительный анализ различных конструкций индукторов см. в [5, 6].
 

Для «ручной» настройки инвертора на резонанс при работе с резонансной нагрузкой и оптимизации процесса нагрева полезно добавить к установке еще пару измерителей, связанных с током, потребляемым нагрузкой.

Первый измеритель предназначен для контроля среднеквадратичного тока. Это трансформатор тока с двухполупериодным выпрямителем. Первичная обмотка представлена проводом, идущим от инвертора к нагрузке и проходящим через центр небольшого ферритового кольца. На этом кольце намотана вторичная обмотка (20 – 30 витков провода с выводом от середины обмотки). Далее при помощи двух диодов сигнал выпрямляется, фильтруется и измеряется при помощи обычного китайского мультиметра.

Второй измеритель также представляет собой трансформатор тока, идущего в нагрузку, но служит для контроля осциллограммы сигнала. Он устроен практически так же, как и в предыдущем случае, но вторичная обмотка не содержит вывода из центра и нагружена на резистор в несколько сотен Ом. С этого резистора сигнал подается на осциллограф. Очень удобно при настройке на резонанс и контроле нештатных ситуаций.
 

Включаем воду охлаждения и все измерители, необходимые для контроля процесса. Далее, сначала включается питание модуля управления и вентилятора, а затем – источник высокого напряжения (выпрямитель). Плавно при помощи ЛАТРа увеличиваем напряжение до 30-50 В. Затем, медленно изменяя частоту инвертора (резистор R3 на рис. 8), пытаемся настроить инвертор на резонанс. Резонанс настраиваем по максимуму тока, потребляемого нагрузкой, контролируя его амплитуду по осциллографу. После настройки на резонанс увеличиваем при помощи ЛАТРа напряжения на силовом модуле до нужного уровня. Установка для индукционного нагрева готова к работе.

Выключение производится в обратном порядке. Сбрасываем высокое напряжение (выводим ЛАТР в 0), затем выключаем его. После этого выключается источник питания модуля управления. Дальше – в произвольном порядке.

Настройку на резонанс приходится выполнять не так уж часто. Опыт показал, что при внесении в индуктор небольших ферромагнитных образцов, расстройка контура не приводит к фатальному уменьшению поглощаемой образцом мощности и он греется достаточно хорошо даже без дополнительной подстройки частоты. При работе с немагнитными материалами резонансная частота вообще практически не «уходит».

На рис. 19 и рис. 20 представлены два примера, иллюстрирующие работу инвертора в качестве индукционного нагревателя. Первый вариант – ферромагнетик (просто - ручка надфиля), второй – немагнитный (кусок нержавеющей трубки).  Ни в том, ни в другом случае никакой дополнительной подстройки частоты не производилось.

Рис.19. Нагрев ферромагнитного материала.

Рис.20. Нагрев немагнитного материала.

При помощи пирометра ПД-4-02 была оценена температура графитового образца, помещенного в индуктор, на воздухе, без теплоизоляции. При максимальной мощности она была около 1300-1350°С. Так что для небольших трубчатых печей с графитовым нагревателем наш инвертор вполне подходит. Перейдем теперь к плавке.
 

Плавка во взвешенном состоянии – довольно увлекательное занятие. В качестве образца для плавки выбран кусочек алюминия весом 2.6 гр. Отдельные кадры, иллюстрирующие процесс плавки, приведены на рис.21. Полное видео плавки можно загрузить по ссылке ниже.

Рис.21. Процесс плавки во взвешенном состоянии.

Во взвешенном состоянии образец может находиться неограниченно долго. Положение его довольно устойчивое. Оценка температуры верхушки образца (в расплавленном состоянии при максимальной мощности) была сделана тем же пирометром ПД-4-02 без поправки на излучательную способность перегретого алюминия. Она равна 1150-1200°С.
 

Двухнедельная работа с описанным в данной статье лабораторным инвертором показала, что эта конструкция вполне может «трудиться» в исследовательской лаборатории в качестве устройства для индукционного нагрева и плавки. За это время было расплавлено более полусотни образцов алюминия, около десятка образцов стали и несколько образцов меди. Большинство плавок алюминия были выполнены во взвешенном состоянии. Масса образцов 2-3 гр. Масса стальных и медных образцов тоже составляла несколько грамм. Плавки проводились как в графитовых тиглях, так и без них.

Инвертор работал стабильно. Во всех этих экспериментах не случилось никаких нештатных или аварийных ситуаций. Никаких перегревов или взрывов транзисторов и других компонентов также не произошло. По сути дела, работа с инвертором ничем не отличалась от работы с любым другим несложным лабораторным прибором.

Так что можно считать, что цель создания простого лабораторного инвертора для индукционного нагрева и плавки небольших образцов металлов достигнута.

Естественно, в процессе разработки и практической работы с инвертором накопился список необходимых модернизаций и улучшений, которые желательно провести в ближайшем будущем. Первые в очереди из них перечислены ниже.

1. Выпрямитель. Хотелось бы убрать громоздкий регулятор напряжения на ЛАТРе и поставить что-нибудь более современное, компактное и главное – с запасом по мощности. 2. Модуль управления. Желательно удешевить «оконечники» (усилители) и выбрать более доступные компоненты. В принципе, здесь ничего сложного нет. Нужно просто проанализировать существующие в большом количестве решения и выбрать наилучшее. 3. Трансформаторные развязки. В данной конструкции мы использовали самые простые решения. Мы «заплатили» за эту простоту качеством сигналов и сравнительно пологими фронтами импульсов. В принципе, работать можно, транзисторы греются приемлемо. Однако, лучше поработать в этом направлении дополнительно. 4. Силовой модуль. Желательно увеличить мощность инвертора до 4-5 кВт. В принципе, можно увеличить мощность в два раза, практически ничего не меняя в схемотехнике. Для этого достаточно перейти с полумоста на полный мост. Добавится еще один кулер с парой транзисторов с «обвязкой» и пара дополнительных обмоток на импульсном трансформаторе блока управления.

Поскольку лабораторный инвертор имеет модульную структуру, то все эти модификации легко делать параллельно, не выводя инвертор надолго из работы. Возможно, в результате этих модификаций удастся создать действительно «бюджетный» вариант лабораторного инвертора. Это способствовало бы более широкому внедрению технологий индукционного нагрева в лабораторную практику.
 

1. Семенов Б.Ю. Силовая электроника: от простого к сложному. – М.: СОЛОН-Пресс, 2005. – 416 с.
2. Мелешин В.И. Транзисторная преобразовательная техника. М. Техносфера, 2005. – 632 с.
3. Шандренко Д.А. Транзисторный регулятор напряжения.
   http://electroscheme.org/2007/08/13/t ... ljator_naprjazhenija.html
   или
   http://www.radiolub.orsk.info/Shems/Shems2/tr_reg.htm
4. Design Tips DT92-2A: High Current Buffer for Control IC’s.
   http://www.irf.com/technical-info/designtp/dt92-2.pdf
   См. русский перевод: Мощный буфер тока для управления затворами МОП-транзисторов
   http://vcoder.flyback.org.ru/electronics/power_buffer/Power buffer.pdf
5. Фогель А.А. Индукционный метод удержания жидких металлов во взвешенном состоянии. Л. Машиностроение, 1979. – 104 с.
6. Глебовский В.Г., Бурцев В.Т. Плавка металлов и сплавов во взвешенном состоянии. М. Металлургия, 1974. – 176 с.

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке ОХНМ РАН (проект №5.5.3) и ГК № 02.740.11.0269.
 

Рис.22. Общая схема инвертора.