Конструкция. Основные элементы преобразователя - диодный мост, БТИЗ-модуль и вентилятор охлаждения смонтированы на массивном теплоотводе с обязательным применением теплопроводящей пасты КПТ-8. Между диодным мостом и БТИЗ-модулем установлен термоконтакт SK1 для отключения генератора при нагреве теплоотвода до 60 оС. Температурный перепад между подошвой БТИЗ-модуля и поверхностью теплоотвода под термостатом не превышает 10 оС, соответственно до предельных паспортных 80 оС подошвы модуля остаётся десятиградусный запас. Для уменьшения паразитной индуктивности выводы конденсаторов С2-С5 непосредственно припаяны к выводам помехоподавляющего конденсатора С6, который, в свою очередь, своими выводами привинчен непосредственно к клеммам БТИЗ-модуля. Теплоотвод установлен в корпусе, согнутом из оцинкованной стали толщиной 1 мм. Внутри корпуса установлены источники питания вентилятора и генератора, а также печатная плата задающего генератора (рис. 3). В кожухе корпуса прорезаны вентиляционные окна для забора и выброса охлаждающего воздуха. Для исключения травм вентилятор охлаждения должен быть закрыт защитной проволочной сеткой. На передней стенке корпуса установлены автоматический выключатель QF1, миллиамперметр PA1, переменный резистор R2. Для подавления излучаемых электромагнитных помех между выключателем QF1 и диодным мостом установлен простейший синфазный дроссель (на схеме не показан) из отрезка трёхжильного кабеля, несколько раз пропущенного через ферритовое кольцо. Элементы VD2, VD3, C7 и C8 смонтированы навесным монтажом на выводах трансформатора тока Т1, резисторы R1 и R3 распаяны соответственно на выводах миллиамперметра РА1 и резистора R2.
Рис. 3. Вид внутри корпуса
Блок индуктора состоит из согласующих трансформаторов T2, T3, мощного конденсатора С9 (см. рис. 1), рассчитанного на большие высокочастотные токи, и индуктора, изготовленного из медной трубки, обмотанной по всей длине, без присоединительных участков, термостойкой стеклотканевой лентой с клеевым слоем, а присоединительные участки с помощью медных зажимов привинчены болтами к выводам контурного конденсатора. Свободный участок трубки индуктора является вторичной обмоткой надетых на него импульсных трансформаторов. Собственно индуктор вынесен за габариты блока индуктора. Поскольку через конденсатор С9 и индуктор L1 протекает большой ток и создаются мощные высокочастотные паразитные магнитные поля, все элементы блока индуктора должны быть установлены в корпусе из диэлектрического и немагнитного материала. Автор разместил блок индуктора в сборный корпус из миллиметрового текстолита (рис. 4). Стенки корпуса соединены с помощью мебельных уголков, а в одной из стенок сделаны отверстия для вывода концов трубки индуктора для подачи охлаждающей воды.
Рис. 4. Блок индуктора
Блок индуктора соединён с блоком преобразователя двумя витыми проводами сечением не менее 4 мм2. Индуктор имеет принудительное охлаждение, в качестве насоса используется автомобильный насос омывателя, питающийся от импульсного блока питания с выходным напряжением 5 В. Взамен капризного насоса от омывателя лучше использовать более надёжные аквариумные насосы, некоторые из них рассчитаны на питание напряжением 230 В. В качестве резервуара-охладителя использована двадцатилитровая пластмассовая канистра.
Рис. 5. Задающий генератор в собре на печатной плате
Задающий генератор собран на печатной плате из одностороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм (рис. 5). Большое напряжение между элементами (до 650 В), помимо применения оптопар и изолированных преобразователей напряжения, требует дополнительных мер по защите от поверхностных утечек и пробоев печатной платы. Во-первых, в плате нужно обязательно сделать прорези шириной 2,5...3 мм между участками с высокой разностью потенциалов. Во-вторых, после монтажа и тщательной промывки со стороны печатного монтажа плату необходимо покрыть слоем электроизоляционного лака. Чертёж печатной платы и схема расположения элементов на ней показаны на рис. 6. Плата генератора соединена с управляющими выводами БТИЗ-модуля витыми проводами длиной не более 15 см. Внешний вид устройства показан на рис. 7.
Рис. 6. Чертёж печатной платы и схема расположения элементов на ней
Рис. 7. Внешний вид устройства
Детали блока преобразователя. Транзисторный модуль MIFA-HB12FA-100N производства АО "Протон-Электротекс" можно заменить модулем нового образца - IGBT MIFA-HB12MA-100N того же изготовителя. Конденсаторы С1 и С6 - помехоподавляющие К78-10г ЗАО "Элкод" или аналогичные фирмы Epcos. Конденсаторы С2-С5 - К78-41б или аналогичные, выдерживающие ток не менее 25 А на частоте 30 кГц. Варисторы - S20K460 или аналогичные с классификационным напряжением 750 В. Автоматический выключатель QF1 - на ток 10...16 А. Вентилятор охлаждения - 1,1ЭВ-3,2-16-4525 ООО "Иолла", блок питания для него - любой с выходным напряжением 24 В и мощностью не менее 100 Вт. Блок питания генератора - с выходным напряжением 15 В и мощностью не менее 5 Вт. Теплоотвод - О55-120 ООО "ЛИГРА". Трансформатор тока Т1 - AS-105 фирмы Talema, диоды VD2, VD3 - любые маломощные с барьером Шоттки, конденсаторы С7, С8 - К10-17 или аналогичные фирмы Murata, постоянные резисторы - МЛТ, С2-23, переменный - СП3-4 ООО "Тембр". Миллиамперметр PA1 - с внешним шунтом, проградуированным на ток до 10 А. Ток его полного отклонения с учётом резистора R1 - 20 мА. Выключатель SA1 - любой, рассчитанный на напряжение 250 В, биметаллический термоконтакт - "таблетка" KSD-301-60 на температуру 60 оС, в крайнем случае на 65 оС. Для помехоподавляющих дросселей использованы кольцевые магнитопроводы типоразмера К40х25х11 из феррита 2000НМ.
Детали блока индуктора. Конденсатор С9 - К78-20 ЗАО "Элкод", он должен выдерживать долговременный ток не менее 400...450 А. Индуктор L1 изготовлен из медной трубки диаметром 8 мм и толщиной стенки 1,5 мм и содержит шесть витков с внутренним диаметром около 60 мм и длиной намотки также около 60 мм. Трансформаторы Т2 и Т3 - одинаковые, каждый из них намотан на трёх сложенных вместе магнитопроводах MSTN-40S-TH ПАО "Мстатор" из нанокристаллического сплава АМАГ-200С. Применение магнитопроводов из аморфных и нано-кристаллических сплавов позволило значительно выиграть в габаритных размерах импульсных трансформаторов, допустимая индукция у них вдвое выше, чем у современного феррита Epcos N97! Каждый трансформатор содержит первичную обмотку - 25 витков жгутом из трёх проводов ПЭТВ-2 1,18 мм в два слоя. Первый слой - 15 витков, второй слой - 10 витков, межслойная изоляция - лавсановая лента шириной 10 мм и толщиной 0,1 мм. Первичная обмотка изолирована от вторичной термостойкой стеклотканевой лентой с клеевым слоем. Вторичной обмоткой обоих трансформаторов служит медная трубка одного из выводов индуктора.
Детали задающего генератора. Для упрощения конструкции применены готовые изолированные преобразователи напряжения. Оптроны можно использовать только HCPL-3120A, их функциональные аналоги TLP-250 имеют меньшее быстродействие и хуже работают на высоких частотах. Отечественные оптроны 5П122А АО "Протон" в этой схеме не проверялись по причине отсутствия их серийного выпуска. Изолирующие преобразователи напряжения А1 и А2 - готовые AM3DG-151508DH30-NZ мощностью 3 Вт с выходными напряжениями + 15/-8В. Транзисторы VT1-VT4 - серий КТ9180 и КТ9181 АО "Группа Кремний Эл" с буквенными индексами Б, В и Г либо аналогичные с максимальным током не менее 3 А, напряжением коллектор-эмиттер не менее 40 В и частотой единичного усиления не менее 50 МГц. Транзисторы серий КТ814, КТ815, КТ816, КТ817 применять нельзя! Оптроны U1, U2 - PC817C, АОТ174Г. Микросхема IR2520D в этой конструкции не имеет альтернативы. Конденсаторы С2-С4, С6, С8-С11, С14-С16 - К10-17 или аналогичные Murata, оксидные конденсаторы - К50-96 АО "Элеконд" или аналогичные Epcos, резисторы - МЛТ, С2-25.
Налаживание устройства. В первую очередь нужно проверить исправность генератора. Для этого на смонтированную плату нужно подать напряжение 14,5...15 В и измерить напряжения на выходе изолированных преобразователей напряжения. Без нагрузки они должны быть +15,5...16 В и -8,3...8,5 В. Далее с помощью осциллографа нужно проконтролировать наличие выходных двухполярных импульсов на обоих выходах генератора. Длительность фронтов и спадов не должна превышать 0,5 мкс, а плавное снижение частоты должно остановиться на уровне 21...22 кГц. Если двухполярные импульсы искажены или отсутствуют, нужно проверить исправность деталей и правильность монтажа. Если установившаяся частота отличается от 21...22 кГц, необходимо подобрать сопротивление задающего диапазон частот резистора R3. Плата генератора, по соображениям электрической прочности, должна быть установлена на стойки высотой не менее 15 мм. После сборки нужно тщательно проверить правильность соединений и монтажа. Первое включение блока преобразователя нужно проводить с отключённым блоком индуктора. Перед первым включением надо отключить блоки питания насоса и вентилятора охлаждения, а также отключить плюсовой вывод диодной сборки VD1 от плюсового контакта БТИЗ-модуля (вывод 3) VT1 и в разрыв включить сетевую лампу накаливания мощностью 95/100 Вт.
Первоначальное включение должно проходить при пониженном напряжении при питании от однофазной сети напряжением 230 В. Для этого нужно соединить клеммы L2, L3, N и подать напряжение на клеммы L1 и N. После можно включить питание генератора выключателем SA1. После включения между выходом полумоста (контакт 1) и средней точкой конденсаторов С2-С5 должны появиться прямоугольные импульсы размахом около 300 В и плавно снижающейся до 21...22 кГц частотой. Нить лампы накаливания при этом не должна даже еле светиться! Иначе нужно проверить надёжность присоединения выходов генератора к управляющим контактам БТИЗ-модуля, правильность монтажа. После проверки блока преобразователя на пониженном напряжении можно уже проверять работу всей установки. Для этого нужно восстановить цепи питания насоса и вентилятора охлаждения, вместо лампы накаливания вернуть перемычку и подключить к блоку преобразователя блок индуктора. На клеммы L1, L2, L3 нужно подать линейное напряжение, а провод N подключить к нулевому проводнику сети, выключатель питания генератора SA1 должен быть выключен. После этого нужно включить автоматический выключатель QF1. На выходе диодного моста должно появиться постоянное напряжение около 530...540 В. Также должны заработать вентилятор охлаждения теплоотвода и насос подачи охлаждающей воды. Нужно обязательно убедиться в наличии воды в индукторе и дождаться выхода пузырьков воздуха. После этого нужно установить переменный резистор в положение максимального сопротивления, разместить внутри индуктора стальную цилиндрическую заготовку диаметром 35...40 мм и длиной не менее 150 мм. Заготовка таких габаритов снизит добротность контура, и выходной ток БТИЗ-модуля не превысит допустимого даже при резонансе. Кроме того, заготовка должна находиться на огнеупорных опорах и не касаться индуктора!
После этого включают выключатель SA1 на 2...3 с. При этом показания миллиамперметра должны плавно увеличиться с 15...20 % до 30 % от максимума шкалы. Если миллиамперметр ничего не показывает, то нужно проверить исправность трансформатора тока, его выпрямителя и самого миллиамперметра. Если показания миллиамперметра монотонно увеличиваются свыше 40...50 %, немедленно выключают питание генератора и проверяют исправность оптрона U1 генератора и его цепей. После проверки исправности системы ограничения тока заготовку в индукторе меняют на пруток диаметром 20...25 мм и длиной не менее 150 мм. После этого включают выключатель SA1. Показания миллиамперметра должны установиться на 30 %, а усреднённое напряжение на выходе выпрямителя должно установиться на уровне 500...510 В.
Плавно увеличивая ток ограничения (перемещая движок переменного резистора R2 вверх по схеме), добиваются показаний миллиамперметра в 80 % максимума шкалы. При этом контролируют нагрев теплоотвода, импульсных трансформаторов и мощного конденсатора контура. Нагрев подошвы БТИЗ-модуля не должен превышать 70 оС, температура нагрева конденсатора и импульсных трансформаторов также может доходить до 60...70 оС. Заготовка внутри индуктора при этом начинает сильно нагреваться, и температура нагретого участка при этом достигает 950...1000 оС! После этого можно кратковременно установить максимальный ток ограничения, и показания миллиамперметра PA1 должны быть на уровне полного отклонения, в противном случае нужно подобрать сопротивление резистора R3. На этом этапе установку можно считать налаженной, и можно приступать к её эксплуатации.
Вопросы безопасности при работе установки. Корпус блока преобразователя должен быть обязательно заземлён. Кроме того, нужно обратить особое внимание на изоляцию соединительных проводов между блоком преобразователя и блоком индуктора, а также на изоляцию первичных обмоток импульсных трансформаторов Т2 и Т3. Из-за паразитной ёмкости тела человека на частотах работы установки (26...27 кГц) даже надёжно изолированный от земли человек является, тем не менее, соединённым с землёй через свою паразитную ёмкость. Поэтому касание даже одной рукой контакта выхода полумоста смертельно опасно! Не зря в руководствах по ремонту телевизоров категорически запрещалось прикасаться даже одной рукой к токоведущим частям элементов строчной развёртки и импульсного блока питания! При работе с установкой соблюдайте правила электробезопасности!
Особенности работы установки. Первоначальный нагрев чёрных металлов и их сплавов происходит преимущественно за счёт потерь при их перемагничивании, при этом мощность достигает 5,5...6 кВт, но из-за ухудшения магнитных свойств при подходе к температуре 500 оС мощность нагрева падает. При приближении к точке Кюри (770 оС для железа) мощность нагрева составляет 1,5...2 кВт при токе индуктора 80 % от максимума. Поэтому при температуре от 650 до 850 оС идёт как бы провал по мощности. Однако после достижения 850 оС начинают играть роль активные (омические) потери стали, и с ростом температуры до 950 оС выходная мощность составляет уже 2...2,5 кВт. Выходная мощность рассчитывалась исходя из замеров потребляемого тока с помощью токовых клещей, за вычетом мощности потребления при пустом индукторе. Мощность потребления при пустом индукторе, а соответственно и мощность потерь при 80 % от максимума тока была 1,5 кВт. При этом более 70 % - это потери в индукторе и нагрев контурного конденсатора.
Габариты индуктора рассчитаны для нагрева заготовок диаметром 15...30 мм, заготовки диаметром менее 10 мм будут слабо взаимодействовать с полем индуктора. Заготовки диаметром 35...40 мм при нагреве будут сильно уменьшать добротность контура, и первоначальный ток индуктора не будет достигать и 50 %, даже при установке максимального тока ограничения. Если же ток не достигнет порога ограничения, частота генератора будет по-прежнему снижаться и пройдёт резонансную частоту контура, поэтому ток уменьшится до 20...30 % от максимума. Для прогрева больших заготовок нужно постепенно повышать ток ограничения по мере её прогрева. Так, автору удавалось нагревать заготовки диаметром 40 мм и длиной 100 мм до температуры 850 оС. Если при увеличении тока ограничения показания миллиамперметра уменьшатся, нужно вернуть старое положение, выключить питание генератора, дождаться обнуления его показаний и включить генератор вновь. При перегреве теплоотвода сработает тепловая защита и отключит генератор на время остывания.
Литература
1.Кухтецкий С. Простой лабораторный инвертор для индукционного нагрева. Часть 1. - URL: http://www.icct.ru/node/79 (10.02.22).
2.Демонстрация работы ИН "Феникс". - URL: https://www.youtube.com/watch7v =v2yZNi1W1JM (10.02.22).
3.Обсуждение ИН "Феникс". - URL: https://induction.listbb.ru/viewtopic.php7f = 17&t=204 (10.02.22).
Автор: А. Савин, г. Самара