Nagłówek i logo firmy Elegron

O firmieAktualnościOfertaDo pobraniaKontakt

Trwają prace nad nagrzewnicą indukcyjną.

Przed lekturą dobrze jest zajrzeć do zakładki "do pobrania" po zgromadzone tam materiały edukacyjne.

Historia projektu...

Gdy Michał Obrzydzinski (Proton) podrzucił mi temat nagrzewnicy indukcyjnej, wydawało mi się, że jest to temat dość prosty i do którego jest masa materiału do poczytania - dziś wiem jak bardzo się myliłem.

Tu ze swej strony, po własnych doświadczeniach, chylę czoła wszystkim tym, którym udało się zbudować dobrą nagrzewnicę indukcyjną, jednocześnie chcę ostrzec wszystkich amatorów tego tematu, przed ogromem pracy i trudnościami, na jakie napotkają. Chodzi tu zarówno o spore koszty prototypu, jak i brak ogólnie dostępnych materiałów informacyjnych.

Na tej stronie nie ma gotowego przepisu na to, jak zrobić dobrą nagrzewnicę indukcyjną, ale na pewno znajdzie się tu sporo bardzo przydatnych informacji.

Podstawa to założenia i zrozumienie występujących tu zjawisk...

Wstępne założenia będą decydowały o całości projektu.

Po pierwsze musimy sobie odpowiedzieć po co to robimy - do czego ma służyć budowana przez nas nagrzewnica. Ta informacja określi nam większość najważniejszych parametrów urządzenia.

Moja nagrzewnica wstępnie miała posłużyć do hartowania stalowych elementów konstrukcyjnych o wadze ok. 2kg w czasie do 20s i wymiarach 40x10x400

Cw - ciepło właściwe stali = 450 J/kg°C
m - masa = 2 kg
ΔT - różnica temperatur = 750°C
Q - potrzebna ilość ciepła = Cw * m * ΔT = 450 J/kg°C * 2 kg * 750°C = 675000 J = 675kJ
1 J/s = 1 W

czyli 675kJ / 20s = 33,75 kW

Przy zasilaniu trójfazowym potrzebne nam ok. 50A - tu pojawia się korekta założeń,

Zleceniodawca nie może brać z sieci więcej niż 32A. Temperatury nie możemy zmienić więc pozostaje tylko zmiana czasu, a ten po korekcie wyniesie ok. 30s przy mocy ok. 22 kW. Oczywiście nie uwzględniamy w tych wyliczeniach ani sprawności samej nagrzewnicy, ani też współczynnika mocy. W praktyce czas będzie zawierał się w okolicach 40s.

Gabaryty wzbudnika...

Im lepsze dopasowanie kształtu wzbudnika do obrabianego elementu tym wyższa sprawność.

W tym miejscu trzeba sięgnąć po nieco teorii z zakresu budowy obwodów rezonansowych i transformatorów. Wzbudnik jest obwodem rezonansowym, a cewka wzbudnika z obrabianym materiałem stanowi transformator, w którym cewka jest uzwojeniem pierwotnym, a materiał wtórnym.

Moc [P] w obwodzie można wyznaczyć ze wzoru:

P=I²*R

Gdzie I to prąd, a R rezystancja.

Uzwojenie wtórne stanowi zwarty jednolity przewodnik (stal). Jednakże w obwodach w.cz. występuje zjawisko naskórkowości prądu. Oznacza to, że prąd wysokiej częstotliwości płynie po powierzchni przewodnika, a nie w całym jego przekroju. Głębokość wnikania prądu zależna jest od częstotliwości, od rodzaju materiału (przewodnika) oraz temperatury.

Dla łatwiejszego zrozumienia dalszych wyliczeń można przyjąć, że nasze (zakładane - zimne) uzwojenie wtórne będzie miało rezystancję:

rezystywność stali (20°C, 0,37-0,42% węgla) = 171·10-9 Ω·m

Rezystancja przewodnika jest zależna od rodzaju materiału, z którego przewodnik został wykonany i jest wprost proporcjonalna do długości przewodnika, a odwrotnie proporcjonalna do jego przekroju poprzecznego:

R = ρ l/ S
gdzie:
R - oznacza rezystancję,
[R]=1Ω (om),
Ρ - rezystywność (opór właściwy) materiału przewodu,
[Ρ]=1Ωm (omometr),
w praktyce wygodniejszą jednostką jest:
[Ρ]=1Ω·mm2·m-1,
l - długość przewodnika,
[l]=1m(metr),
S - pole przekroju poprzecznego przewodnika,
[S]=1m2 (metr),

Rezystancja przewodnika zależy również od temperatury, wraz ze wzrostem rośnie opór elektryczny. Zależność rezystancji przewodnika od temperatury jest w przybliżeniu liniowa, zatem:

R = R 20 [ 1 + α ( T − 293 ) ]
gdzie:
R20 - oznacza rezystancję w temperaturze pokojowej 293 K (20°C),
[R20]=1Ω (om),
α - współczynnik temperaturowy rezystancji,
[α]= 1 K
T - temperatura bezwzględna przewodnika,
[T]=1K (kelwin),

Nazwa przewodnika

rezystywność

konduktywność

współczynnik T

Ω·m

Ω·mm2·m-1

S·m·mm-2

K-1

Srebro

1,62·10-8

0,0162

61,8

0,0036

Miedź przewodowa

1,78·10-8

0,0178

57

0,0039

Aluminium przewodowe

2,87·10-8

0,0287

44,8

0,0041

Wolfram

5,5·10-8

0,055

18,2

0,0045

Cynk

5,9·10-8

0,059

16,9

0,0045

Nikiel

7,3·10-8

0,073

13,7

0,0065

Żelazo

9,6·10-8

0,096

10,48

0,0059

Konstantan

(55%Cu, 45% Ni)

4,8·10-7

0,48

2,08

2·10-5

Manganin

(86% Cu, 12% Mn, 2% Ni)

4,6·10-7

0,46

2,18

3·10-5

Nikielina

(54% Cu, 26% Ni, 20% Zn)

4,3·10-7

0,43

2,33

0,00023

Chromonikielina

(20% Cr, 80% Ni)

1,0·10-6

1,0

1,0

0,00014

Ferronikielina

(75% Fe, 25% Ni)

8,3·10-7

0,83

1,21

0,001

Kanthal Al

(68% Fe, 24% Cr, 5,5% Al, 2,5% Co)

1,45·10-6

1,45

0,69

6,4·10-5

Wykres

Z powyższej tabeli oraz wykresu można wyznaczyć początkową rezystancję nagrzewanego elementu. Potrzebna jest jeszcze nam tylko częstotliwość - tę za chwilę wyliczymy.

L = µr•µ0•(S/l)•n² w henrach H,
Gdzie:
µr - przenikalność magnetyczna względna rdzenia bezwymiarowa,
µ0 =4•
Π•10^(-7)H/m - przenikalność magnetyczna próżni,
S - pole przekroju poprzecznego rdzenia ferromagnetycznego w m²,
l - długość rdzenia w metrach m
n - ilość zwoi cewki bezwymiarowa.

Nasza nagrzewnica ma posiadać obwód rezonansowy równoległy, w którym zachodzi rezonans prądów, więc oprócz cewki potrzebny jest nam kondensator.

Jako że w obwodzie będą płynęły dość duże prądy, potrzebny nam będzie kondensator o bardzo dobrych parametrach albo raczej bateria kondensatorów.

Ale na razie zajmijmy się cewką...

Aby nagrzewanie było skuteczne oraz aby zminimalizować wpływ człowieka (operatora) na proces nagrzewania, cewka musi obejmować cały nagrzewany element. Jednocześnie ze względu na dopasowanie źródła do obciążenia, cewka wzbudnika powinna mieć jak najmniej zwoi, a ze względu na rozproszenie pola magnetycznego zwoje te powinny być możliwie blisko siebie.

Detal

rys-1

Wzbudnik

rys-2

Wzbudnik

rys-3

Wzbudnik

rys-4

Dla mojego przypadku z wyliczeń wyszło, że najlepiej będzie zastosować wariant z rys.3, dlaczego? Już wyjaśniam...

Jak wcześniej pisałem, element nagrzewany i cewka wzbudnika stanowią transformator, skoro wiemy że "uzwojenie wtórne" jest zwarte (posiada bardzo małą impedancję) więc będzie się ono przekładać jako obciążenie dla obwodu rezonansowego wpływając na jego dobroć.

Więc im większe przełożenie transformatora tym większy wpływ obciążenia na dobroć.

Dlaczego więc nie wariant z rys. 4? Bo prąd wnikał będzie zbyt płytko i rozgrzalibyśmy tylko zewnętrzną warstwę materiału.

Dla przykładu, przy częstotliwości 25kHz w zimnej stali prąd wniknie na głębokość ok. 0,1mm, a dopiero po rozgrzaniu zacznie wnikać głębiej bo wraz ze wzrostem temperatury rośnie rezystancja, a ten "leń" zawsze wybiera drogę najmniejszego oporu.

Do tego samego wniosku doszedłem metodą "prób i błędów".

Z tego wynika, że cewka wzbudnika będzie miała wymiary: długość 50mm, szerokość 450 i wysokość 30.

Tu napotykamy następny problem...

Cewka wzbudnika będzie wykonana z rurki miedzianej, bo potrzebne będzie jej chłodzenie. Średnica takiej rurki to od 4 do 12mm i zaczyna kłaniać się promień gięcia oraz gęstość prądu.

Ale po kolei...

Rezystancja obciążenia to:

R = ρ l/ S=0,096 Ω·mm2·m-1*(10mm+10mm+400mm+400mm)/(40mm*0,1mm)= 0,01968 Ω

Dla potrzebnej mocy 22kW prąd, jaki powinien popłynąć, to ok. 1000A

Na długości 50mm zmieścimy:

L1: 10 zwojów rurki fi 4mm ind. własna 34 uH prąd 100A gęstość prądu 18A/·mm2
L2: 7 zwojów rurki fi 6mm ind. własna 16 uH prąd 142A gęstość prądu 16A/·mm2
L3: 5 zwojów rurki fi 8mm ind. własna 8,5 uH prąd 200A gęstość prądu 11A/·mm2
L4: 4 zwoje rurki fi 10mm ind. własna 5,5 uH prąd 250A gęstość prądu 8,8A/·mm2
L5: 3,5 zwoja rurki fi 12mm ind. własna 4,1 uH prąd 285A gęstość prądu 8,0A/·mm2

wzór wzór

gdzie:
f - częstotliwość obwodu w hercach,
L - indukcyjność cewki w henrach,
C - pojemność kondensatora w faradach,
ω - częstość kołowa w radianach/sekundę.
R - rezystancja wnoszona
Q - dobroć

Dla przyjętych 25kHz mamy:

L1=34 uH Ro= 0,1968 Ω Rl= 0,03108 Ω C=1,2 uF Q= 2,4
L2=16 uH Ro= 0,13776 Ω Rl= 0,01384 Ω C=2,5 uF Q= 4,7
L3=8,5 uH Ro= 0,0984 Ω Rl= 0,00500 Ω C=4,7 uF Q= 10,8
L4=5,5 uH Ro= 0,07872 Ω Rl= 0,00241 Ω C=7,4 uF Q= 27,0
L5=4,1 uH Ro= 0,06888 Ω Rl= 0,00199 Ω C=9,9 uF Q= 35,4

Patrząc na te wyliczenia oraz biorąc pod uwagę właściwości mechaniczne, mój wybór padł na rurkę 10mm.

Dobór kondensatora to nie tylko pojemność i napięcie. Przez ten kondensator popłynie dość duży prąd.

Jeśli nie użyjemy specjalnych kondensatorów przeznaczonych do obwodów mocy, a jedynie takie dostępne w sklepie z elektroniką, to musimy przyjąć prąd na kondensator do 10A i to też jest dużo. Na szczęście mam dostęp do kondensatorów mocy, na których 300A nie robi większego wrażenia i nie muszę kombinować. Ale ze względu na dostępne pojemności, zmianie ulega zakładana częstotliwość wzbudnika - nie stanowi to jednak problemu.

C=10uF
L=5,5uH
F=21kHz
Q=27

Teraz tylko musimy dostarczyć odpowiednią ilość energii do wzbudnika z przetwornicy.

Do dyspozycji mamy prąd 32A, więc transformator dopasowujący przetwornicę do wzbudnika musi mieć przełożenie ok. 8/1.

W wielu prostych (moc ok. 1kW) jako element dopasowujący stosowane są dławiki włączone szeregowo między wzbudnikiem a przetwornicą, przy większych mocach takie rozwiązanie nie zdaje egzaminu ze względu na kolosalne straty w tym dławiku.

Rozwiązanie z szeregowym dławikiem cieszy się sporą popularnością choćby ze względu na spopularyzowaną nagrzewnicę przez EDW pokazaną w numerze z maja 2010r. Opisana jest jako nagrzewnica o mocy 1kW, tylko że, do nagrzania śruby o masie 30g potrzeba ok. 15s aby osiągnęła temperaturę 500°C. Oznacza to tylko tyle, że do samej śruby dostarczono moc 450W, a reszta została na dławiku szeregowym.

Dopasowanie transformatorowe jest dużo lepsze choć przysparza pewne problemy. Przy stosowaniu takiego sprzężenia również potrzebny jest dławik filtrujący, ale można go wstawić w nieco inny sposób, co znacząco wpłynie nie tylko na filtrację, ale również na poprawę dobroci wzbudnika. Wspomniany dławik to część uzwojenia wzbudnika nie biorąca udziału w nagrzewaniu, więc zawsze pozostająca na "biegu jałowym".

Jeden z większych problemów z wiązanych z transformatorem jest moc, jaką można przez niego przepuścić - chodzi o rdzeń. Oczywiście można stosować transformator z rdzeniem powietrznym lub ze szczeliną w celu uniknięcia zjawiska nasycania rdzenia, ale to negatywnie wpływa na sprawność takiego sprzężenia. Jeśli chcemy przetransformować możliwie z małymi stratami, to nie ma innego wyjścia, jak tylko pełny rdzeń o dość dużym przekroju.

Zastosowanie transformatora pomiędzy przetwornicą a wzbudnikiem daje nam jeszcze jedną bardzo ważną zaletę - separację galwaniczną od sieci zasilającej. Nie potrzebny jest drogi, ciążki transformator separujący dużej mocy. Przy częstotliwości ok. 20kHz doskonale sprawdzają się rdzenie ferrytowe mocy - tu przy doborze rdzenia pomogli fachowcy z firmy produkującej takie rdzenie.

Niestety to nie koniec problemów z transformatorem dopasowującym...

Transformator, a w zasadzie jego uzwojenia, też mają indukcyjność i jest ona niestety podobna do wartości indukcyjności samego wzbudnika. Zachodzi duże niebezpieczeństwo, że rezonans zajdzie nie między kondensatorem wzbudnika a jego cewką, a między nim a cewką transformatora i jesteśmy ugotowani. Jeśli do zasilania użyjemy przetwornicy opartej na półmostku, to w grę wchodzi też pojemność z tego półmostka, z którą też mogą zajść niepożądane rezonanse.

Kolejnym problemem jest samo uzwojenie transformatora. Prąd w uzwojeniu wtórnym to 250A. Jeśli przyjąć, że dla niechłodzonego przewodu miedzianego gęstość prądu to 2,5A/·mm2 czyli, że nasze uzwojenie trzeba nawinąć przewodem o przekroju 100mm2 więc średnica to jakieś 11mm. Dochodzi do tego zjawisko naskórkowości i wychodzi jakiś gigantyczny twór, ale jest światełko w tunelu... Przecież taką średnicę mamy we wzbudniku.

Oczywiście nie możliwe lub bardzo trudne będzie ciasne nawinięcie takiego uzwojenia rurką.

Ale nigdzie nie jest powiedziane, że uzwojenie to zwoje, to również fragment zwoju, a jeśli nasz zwój jest prostym odcinkiem przewodu to przecież nadal pozostaje zwojem.

transformator

Więc nasze uzwojenie wtórne ma ok. 0,5 zwoja, przy zakładanym przełożeniu transformatora uzwojenie wtórne miało by mieć ich 4. Wykorzystując pewne dość nietypowe, ale bardzo ciekawe rozwiązanie można nieco zmienić miejsce włączenia transformatora w obwód wzbudnika i przełożenie 8/1 uzyskać przy ośmiu zwojach na uzwojeniu pierwotnym.

Osiem czy cztery zwoje przy zasilaniu ok. 550V? Wydaje się dość odważnym założeniem, ale realnym do wykonania. Do nawinięcia uzwojenia pierwotnego zastosowana została lica czyli splot cieniutkich izolowanych drucików. I transformator działa rewelacyjnie. Ma też tę zaletę, że w zasadzie nie wnosi żadnej indukcyjności uzwojenie wtórne, a uzwojenie pierwotne przy tej konstrukcji pozostaje bez wpływu na obwód rezonansowy.

Wykonując taki transformator trzeba bardzo dokładnie rozłożyć zwoje, przy takich mocach mogą dać nam się we znaki zjawiska magnetostrykcyjne i najzwyczajniej rozsadzi nam rdzeń.

Aby uniknąć zjawiska niepożądanego rezonansu pomiędzy kondensatorami z półmostaka, a uzwojeniem pierwotnym transformatora najlepiej jest się ich pozbyć - czyli przetwornica musi być pełnym mostkiem. Komplikuje to nieco samą elektronikę, podnosi koszt, ale poprawia sprawność i podnosi bezpieczeństwo.

Jest wzbudnik, separacja i dopasowanie - czas na przetwornicę...

Projektowanie przetwornicy też trzeba podzielić na kilka etapów. Zacznę od tego, co wydaje się oczywiste i najprostsze - czyli sam mostek.

Znamy średni prąd oraz jego częstotliwość, znamy napięcie zasilające więc, zaczynamy dobierać tranzystory. Dużo tego jest, ale jak dobrze przyjrzymy się parametrom, to krąg kandydatów mocno się zawęża.

Przy zasilaniu 550V napięcie, jakie powinien wytrzymać tranzystor, to jakieś 900V żeby, kolokwialnie mówiąc, jakaś szpileczka go nie ubiła.

Średni prąd to ok. 40A ale w impulsie to jednak sporo więcej. Zmierzona wartość tego prądu w mojej przetwornicy wynosiła ok. 90A.

Z tych parametrów najtrafniejsze wydają się być tranzystory IGBT. Można oczywiście zastosować Mosfety, ale przestrzegam przed łączeniem równoległym tych ostatnich bo to już wyższa szkoła jazdy.

Dobierając tranzystory trzeba zwracać również uwagę na częstotliwość graniczną oraz moc, jaką można na nich wydzielić.

Ja do swojego projektu wybrałem tranzystory IRG7PH50UPBF, ale jako że miałem w swoich zasobach jeszcze MG200J2YS50 to wybór padł na te ostatnie.

Sam mostek to niestety nie wszystko - trzeba go jakoś wysterować. Jest kilka sposobów. W tym miejscu nie eksperymentuję, biorę to, co wiem, że na pewno zadziała i przynajmniej zapewni zabezpieczenie samych (dość drogich) tranzystorów.

Do sterowania zastosowałem drivery HCPL316J, które na swej stronie ładnie opisał wspomniany na wstępie Michał Obrzydzinski, w stosunku do prezentowanego tam schematu jest kilka modyfikacji, które jednak nie zmieniają w istotny sposób zasad ich działania i podłączenia.

Rozwiązanie takie jest niezbędne z uwagi na bardzo duże pojemności bramek tranzystorów, jak również duże ładunki, które są potrzebne do prawidłowego ich wysterowania.

Można oczywiście stosować inne - tańsze, prostsze drivery, ale "nie zawsze tanie to dobre rozwiązanie".

Sygnał sterujący do drivera pochodzi z generatora VCO. Nie można jednak podać "surowego" sygnału z generatora bezpośrednio na wejścia driverów. HCPL316J mimo swej wymyślności i wielu zalet nie posiada czegoś takiego, co zwie się czasem martwym. Czasy te trzeba sobie po prostu wytworzyć.

oscylogramoscylogram 1

oscylogramoscylogram 2

oscylogramoscylogram 3

Na oscylogramach pokazane są przebiegi:
Kanał 1 (żółty) wyjście z generatora
Kanał 2 (niebieski) czasy martwe
Kanał 3 (fioletowy) wejście pierwszej pary driverów
Kanał 4 (zielony) wejście drugiej pary driverów

Na tych trzech oscylogramach widać, że regulując czas martwy, można zmieniać również wypełnienie impulsu sterującego. Owe sygnały wytwarzane są za pomocą banalnego acz niezawodnego układu - multiwibratora monostabilnego oraz przerzutnika D. Oczywiście regulacja długości impulsu czasu martwego zrealizowana jest w odrobinę niecodzienny sposób bo nie zależy tylko od wartości RC (RC mają wpływ na czas minimalny) w multiwibratorze, ale jeszcze od regulacji napięciowej.

Czasy martwe potrzebne są w celu uniknięcia jednoczesnego załączenia się tranzystorów w mostku i w efekcie spektakularnego ich zniszczenia. Fakt, że można je jeszcze w prosty sposób regulować, daje nam możliwość zmiany wypełnienia impulsu sterującego - czyli za 2zł mamy bezpieczeństwo i regulację (ograniczenie) mocy wyjściowej.

Jak wcześniej pisałem "sercem" przetwornicy jest generator VCO (Voltage Controlled Oscillator) z pętlą PLL (Phase Locked Loop). Na rynku dostępnych jest sporo takich układów, praktycznie wszystkie układy posiadające obie te funkcje nadają się do naszego zastosowania.

Generator musi cechować się dużą stabilnością pracy, ale również łatwością przestrajania.

Gdyby nie to przestrajanie może wystarczyłoby użyć 555, ale ten się nie sprawdzi, poza tym koszt układu z generatorem VCO to od 50gr do kilku zł.

Zanim jednak opiszę mój generator, trzeba wyjaśnić zjawiska, z jakimi musimy się zmierzyć.

Nieobciążony obwód wzbudnik posiada własną częstotliwość rezonansową. W chwili włożenia kawałka stali do wnętrza wzbudnika staje się ona już nie cewką powietrzną, ale cewką z rdzeniem. W przypadku rdzenia stalowego indukcyjność cewki wzrośnie i dość mocno obniży się częstotliwość rezonansowa. Wraz ze wzrostem temperatury zmianie ulegają też właściwości magnetyczne rdzenia. Po przekroczeniu temperatury Curie stal staje się paramagnetykiem i cewka z takim rdzeniem znów przypomina cewkę powietrzną. Częstotliwość rezonansowa ponownie się zmienia i może być nawet wyższa niż przed włożeniem rdzenia do wzbudnika.

Każda, nawet niewielka odchyłka od częstotliwości rezonansowej, skutkuje rozstrojeniem i spadkiem przekazywanej mocy. Dlatego tak ważne jest, aby pilnować częstotliwości rezonansowej w całym cyklu nagrzewania. To dlatego generator musi dawać się przestrajać, a rolę naszego "dozorcy" będzie pełniła pętla fazowa.

Jeśli ktoś robił już swoje eksperymenty z nagrzewaniem indukcyjnym, to na pewno spotkał się z bardzo nieprzyjemnym zjawiskiem - wzrostem pobieranej mocy na nieobciążonym lub słabo obciążonym wzbudniku.

Zjawisko to jest bardzo skąpo opisane w literaturze fachowej i traktowane wzmiankowo.
W instrukcjach nagrzewnic po prostu informuje się użytkownika, żeby nie włączał urządzenia na biegu jałowym i aby nie wyciągał elementu nagrzewanego na włączonym urządzeniu. Część nagrzewnic posiada zabezpieczenia przed takim zjawiskiem, które są pilnie strzeżone, bo bez nich całe urządzenie raczej będzie tylko zabawką lub ciekawostką, ale nie będzie nadawało się do wykorzystania w przemyśle.

Skąd bierze się to zjawisko rozbiegania wzbudnika?

Wydawać by się mogło, że przeczy ono prawom fizyki i zaburza wszystko, o czym wiemy ze szkoły na temat obwodów rezonansowych - na szczęście tak nie jest, a zrozumienie tego zagadnienia pozwoli nie błądzić i sprowadzi nas na właściwą drogę.

Znane z układów elektronicznych obwody rezonansowe (stosowane np. w odbiorniku radiowym) pełnią rolę filtrów. Powszechnie wiadomo, że obwód rezonansowy równoległy przy częstotliwości rezonansowej ma największą impedancję i posiada charakter czysto rezystancyjny. Można by się spodziewać, że w naszym przypadku też tak będzie, ustawiamy częstotliwość rezonansową i mamy mały pobór prądu. Dlaczego tak nie jest? Myślę, że wyjaśnią to poniższe wywody. Wcześniej wyliczyłem dobroć obciążonego wzbudnika, była zaskakująco niska Q=27 - a ile wynosi dobroć nieobciążonego?

Dla naszego przypadku wynosi ona ok. 910, oznacza to, że jest większa 33 razy.

Aż 33 razy większy prąd zaindukuje się we wzbudniku, a że prąd jest w kwadracie (P=I²*R) to robi się nam ładna grzałka, której wcale nie chcemy. Dochodzi do tego energia elektromagnetyczna, którą najzwyczajniej wysyłamy w eter, a że nie budujemy perpetuum mobile, to tę energię musimy dostarczyć. Stąd taki gigantyczny przyrost pobieranej mocy w nieobciążonym wzbudniku.

Jak sobie z tym poradzić?

Sposobów jest kilka...

- Ot po prostu - napisać, że nie wolno włączać nieobciążonego wzbudnika, ale wiemy że czynnik ludzki (operator) raczej tego nie przeczyta, a jeśli nawet, to wcześniej czy później sprawdzi, co się stanie, jak włączy na pusto lub ze zbyt małym obciążeniem.

- Można zastosować np. autotransformator i nim obniżać napięcie tak, aby nie przekraczać dopuszczalnego prądu dla tranzystorów. Ale nie dość, że koszt autotransformatora o takiej mocy będzie kosmiczny, to nadal czynnik ludzki będzie miał decydujący wpływ na efekt końcowy.

- Można również wprowadzić jakąś automatykę, choćby mostek tyrystorowy regulowany z pomiaru pobieranego prądu. Ale przy większych mocach takie mostki "sieją" strasznymi zakłóceniami do sieci, a że nasze urządzenie ma w sobie sporą cewkę to i radyjka nie da się posłuchać.

- Można wprowadzić jakiś czujnik obecności obiektu nagrzewanego, zautomatyzować proces jego umieszczania we wzbudniku i wiele innych bardziej wyszukanych pomysłów.

- Można zmienić czas trwania impulsów zasilających sam wzbudnik przez co obniżymy moc.

- Jest jeszcze jeden znany mi sposób, który wydaje mi się bardzo dobry ale opiszę go po testach. Niech to będzie na razie moją tajemnicą - taka wisienka na torcie.

Wybrałem metodę zmiany czasu trwania impulsów zasilających wzbudnik do swojej nagrzewnicy. Udało się ją tak ustawić, że w przypadku braku obciążenia, urządzenie pobiera zaledwie 2A i ta sama pętla nie pozwala na przekroczenie maksymalnego pobieranego prądu powyżej zakładanych 32A.

Poszukajmy częstotliwości rezonansowej...

Wytworzenie sygnału sterującego nie powinno przysparzać większych kłopotów, jest mnóstwo generatorów, a i częstotliwość nie jest zbyt wymagająca. Bardzo ważne jednak jest to, aby ten generator dawał się przestrajać i aby na swoim wyjściu miał sygnał o wypełnieniu możliwie bliskim 50%. Co do przestrajania generatora to dobrze, żeby dawał się przestrajać płynnie i najlepiej napięciowo - dokładnie tak jak robią to generatory VCO.

W swoich wcześniejszych projektach używałem generatorów sterowanych cyfrowo, niestety mimo wielu zalet te generatory posiadają zasadniczą wadę - częstotliwość przestraja się skokowo, a przy nagrzewnicy takie rzeczy się kiepsko sprawdzają. Identycznie (jeśli nie gorzej) ma się wykorzystanie jakiegoś procesorka jako generatora.

Dlatego jako najtrafniejszy wybór pozostaje generator VCO.

Pozostaje tylko bardzo ważna sprawa - wypełnienie 50%. Jeśli nasz generator nie jest w stanie zapewnić stabilnego wypełnienia 50%, to najlepiej zastosować prosty dzielnik częstotliwości, np. na jakimś liczniku wówczas mamy pewne i bardzo dokładne wypełnienie 50%. Jeśli jednak nasz generator ma przyzwoite wypełnienie, to dzielnik można spokojnie pominąć.

Dlaczego tak ważna jest ta symetria? Otóż zobaczmy. Te dwa oscylogramy na pierwszym jest wypełnienie 50% a na drugim 40%.

oscylogramoscylogram 1

oscylogramoscylogram 2

Otóż jak widać, zgodnie z oczekiwaniami na pierwszym oscylogramie chwila zmiany napięcia zasilającego przypada dokładnie w stanach maksimum i minimum przebiegu ze wzbudnika, dzięki czemu poziom niechcianych zakłóceń (szpilek) będzie możliwie mały.

Z kolei na drugim oscylogramie widać, że przebieg napięcia zasilającego raz się spóźnia, a raz wyprzedza maksimum i minimum sygnału ze wzbudnika.

Oscylogramy te pochodzą z symulatora, który nie potrafi w pełni odwzorować stanów, jakie pojawiają się przy asymetrii sygnału z generatora. Ta niby drobna asymetria powoduje powstanie bardzo wysokich napięć, jakie z pewnością w rzeczywistym układzie się zaindukują. Myślę że symetria przebiegu sygnału jest zarówno łatwa do osiągnięcia jak i prosta do zrozumienia jest jej waga.

Zastanówmy się nad tym jak, odnaleźć właściwą częstotliwość rezonansową...

Poniżej są trzy oscylogramy, które pokazują na czerwono napięcie wyjściowe bezpośrednio z wyjścia przetwornicy, a na biało prąd płynący w obwodzie wzbudnika.

oscylogram

Zbyt niska częstotliwość generatora w stosunku do częstotliwości wzbudnika.

oscylogram

Częstotliwość generatora równa częstotliwości wzbudnika.

oscylogram

Zbyt wysoka częstotliwość generatora w stosunku do częstotliwości wzbudnika.

Na tych oscylogramach odchyłka częstotliwości generatora w stosunku do częstotliwości rezonansowej wzbudnika wynosiła 5%. Na ich podstawie można stwierdzić, że w rezonansie amplituda prądu we wzbudniku jest najwyższa. O ile ta informacja będzie nam potrzebna, o tyle nie nadaje się do wykorzystania jako parametr, na podstawie którego da się ustalić i pilnować częstotliwość rezonansową. Najlepiej i stosunkowo najłatwiej jest wykorzystać przesunięcie fazowe. Na jego podstawie bez problemu da się określić, czy generowana częstotliwość jest za niska, czy za wysoka.

Podczas prac nad tym projektem sprawdziłem jeszcze jedną koncepcję ustalania częstotliwości rezonansowej. Docelowo koncepcja ta wylądowała na półce ze zbędnymi wynalazkami. Ale, że wydaje się dość ciekawa, to bardzo krótko ją opiszę - może jeszcze kiedyś znajdzie w czymś zastosowanie.

Pomysł wyglądał następująco. Generator przestrajany cyfrowo 12-bit - sterowany z mikrokontrolera.

Układ zbudowany z multiwibratora wytwarzał jeden krótki impuls podawany na wzbudnik. Ten jak przystało na obwód rezonansowy odpowiadał własną oscylacją o częstotliwości równej rezonansowej. Ta oscylacja po przejściu przez komparator trafiała na licznik który zliczał 16 okresów. Gdy następowało przepełnienie licznika - następowała jego blokada. Z jednego z wyjść licznika podawany był przebieg na resetowalny układ całkujący podpięty do wtórnika emiterowego, z którego to napięcie było odczytywane przez przetwornik A/D w mikrokontrolerze. Mikrokontroler porównywał tą wartość z tabelą i na tej podstawie wystawiał odpowiednie sygnały do sterowania generatorem. Jedyną zaletą tej metody było to, że dość dokładnie dawało się odczytać częstotliwość rezonansową na podstawie pojedynczego impulsu podanego na wzbudnik. Niestety rozdzielczość pomiaru była zbyt mała i nie dawała zadowalających efektów. Zapewne nakładał się na to również fakt, że generator również przestrajany był skokowo. Kolejnym problemem była konieczność powtarzania pomiarów w czasie nagrzewania i, aby dokonać pomiaru, trzeba było co pewien czas wyłączać generator i dokonywać odczytu częstotliwości. Sporo problemów przysparzało również obciążenie wzbudnika, które psuło jego dobroć, a co za tym idzie mocno tłumiło oscylację własną wzbudnika. Stopień przekombinowania układu zaowocował kompletną zmianą koncepcji.

Dopiero po tej "ślepej uliczce" pojawiła się koncepcja z pętlą PLL i generatorem VCO.

Do prawidłowej pracy pętli PLL potrzebne są dwa sygnały, które są związane fazowo z częstotliwością.

Jeden z nich to napięcie z wyjścia mostka, a drugi to prąd we wzbudniku. O ile napięcie z wyjścia przetwornicy jest dość łatwe do uchwycenia, o tyle pomiar fazy prądu przysparza pewne problemy.

Do odczytu napięcia z wyjścia przetwornicy wystarczy dzielnik napięcia i komparator albo jakaś bramka. Ważne jest tylko, aby zbocza przebiegu były ostre i pozbawione zakłóceń. Oczywiście sygnał napięciowy nie musi być brany bezpośrednio w wyjścia przetwornicy, można go pobrać jeszcze po stronie sterowania, ale trzeba pamiętać o sporej różnicy czasowej między sygnałem z wyjścia generatora, a napięciem na wyjściu mostka. Czas ten to suma czasów propagacji wszystkich elementów, przez które sygnał przechodzi łącznie z tranzystorami w mostku. Rozwiązanie takie trochę komplikuje układ, ale za to nie zawiera zakłóceń, które pojawiają się na wyjściu przetwornicy.

Nieco trudniej jest odczytać fazę prądu płynącego we wzbudniku, a to za sprawą jego wartości. Oczywiście można założyć na wzbudnik przetwornik prądowy pomiędzy cewką a kondensatorem. Musi to być jednak przetwornik wysokoprądowy, wysokoczęstotliwościowy ale również o dużej czułości. Są takie wynalazki jak choćby LEM300A, ale i ten może mieć trochę za niski prąd. Można do odczytu prądu, a w zasadzie pola magnetycznego użyć czujnika Halla np. SS49. Oczywiście czy to przetwornik czy hall, to sygnał z nich trzeba potraktować jakimś wzmacniaczem w celu uzyskania odpowiedniej amplitudy i stromości zbocz. I tu należy zwrócić mocno uwagę na duże czasy propagacji między wejściem (prąd we wzbudniku) a wyjściem ze wzmacniacza. Jest to dobre rozwiązanie, ale posiada dość nieprzyjemną wadę. Jako że układ musi być dość czuły, zwłaszcza w przypadku użycia czujnika Halla, będzie zbierał wszelkie zakłócenia, które mogą tworzyć fałszywe zbocza w sygnale wyjściowym.

Można też robić sprzężenie transformatorowe między wzbudnikiem, a wzmacniaczem pętli PLL. Takie rozwiązanie jest najodporniejsze na zakłócenia i właśnie takie wybrałem do swojego projektu. Jedno na co trzeba zwrócić szczególną uwagę to fakt, że nasze sprzężenie transformatorowe też może, a w zasadzie posiada jakąś własną częstotliwość rezonansową. Ale wystarczy tak dobrać transformator, aby ta częstotliwość wypadała dużo wyżej niż częstotliwość robocza.

Sygnały, napięciowy i prądowy po skorygowaniu czasów propagacji mogą zostać wprowadzone do komparatora faz. Na wyjściu komparatora faz układu PLL mamy w zasadzie gotowe napięcie, którym możemy już sterować generatorem VCO. Ja dołożyłem dodatkowy układ całkujący, a pomiędzy "oryginalny" a mój wprowadziłem dodatkowy sygnał. Sygnał ten ma pozwalać odstrajać generator od częstotliwości rezonansowej w sposób kontrolowany. Z tego samego transformatora sprzęgającego, z którego biorę sygnał związany fazowo z prądem wzbudnika, brana jest też informacja o jego amplitudzie. W chwili gdy amplituda jest wyższa od nastawionego w komparatorze maximum, komparator zmienia stan na swoim wyjściu. Wyjście komparatora poprzez rezystor podłączone jest pomiędzy dwa układy całkujące pętli PLL. W ten sposób gdy wzbudnik jest nieobciążony, dzięki odstrojeniu od częstotliwości rezonansowej nie dochodzi do "rozbiegania" się wzbudnika, a pobierany prąd z sieci pozostaje na przyjemnie niskim poziomie.

Do tego miejsca zupełnie nie potrzebny był żaden mikrokontroler. W swoim projekcie zostawiłem na niego miejsce bo myślę, że kawałek wyświetlacza ładnie dopełni taki wyrób oraz może go odrobinę uatrakcyjni, choć on sam nie będzie odgrywał istotnej roli w procesie nagrzewania.

To, co do tej pory pisałem, nie było wynikiem jedynie lektury ale raczej skutkiem wcześniejszych błędów czy bardziej ślepych uliczek, w jakie trafiłem.

Na samym początku razem z Michałem Obrzydzińskim zabraliśmy się do zrobienia nagrzewnicy, która miała pracować z częstotliwością do 1 MHz. Tu zaraz życie mocno zweryfikowało nasze zapędy. Oczywiście mimo, że sama przetwornica spokojnie radziła sobie z taką częstotliwością, a średni prąd był na poziomie 16A to tak naprawdę niewiele co dawało się podgrzać. Dopiero zejście z częstotliwością do ok. 250 kHz zaczęło przynosić jako takie rezultaty. Niestety rozwiązanie było bardzo nieodporne na błędy ludzkie (czytaj moje) i dość często dochodziło do najróżniejszych awarii. Ale był to nieoceniony poligon i kopalnia wiedzy. Przede wszystkim jak nie należy robić. To była ta wersja z generatorem sterowanym cyfrowo i detekcją rezonansu na pojedynczym impulsie. W tej wersji był również pełny mostek, zbudowany na szesnastu tranzystorach MOSFET. O ile samo łączenie równoległe tranzystorów (po cztery) sprawdziło się całkiem dobrze o tyle w razie jakiejkolwiek draki do wymiany było od razu osiem. W tym układzie przetestowany został również układ wytwarzania czasów martwych. Ale przede wszystkim dało się poeksperymentować ze wzbudnikiem. Jako że wszystko działo się na dość wysokich częstotliwościach to dużo łatwiej można było zaobserwować wpływ konstrukcji wzbudnika na efektywność procesu nagrzewania.

W drugim podejściu był już generator VCO z pętlą PLL oraz Atmega8. Jako końcówka mocy był półmostek IGBT sterowany z IR2184. W tym eksperymencie poza przećwiczeniem pętli PLL nie wiele się dało porobić. O ile IR2184 ma w sobie czasy martwe i nadaje się do sterowania IGBTów o tyle był głównym źródłem problemów. Po pierwsze oferowane w tym driverku czasy martwe są zdecydowanie za krótkie, a po drugie ładunki potrzebne do otworzenia i zamknięcia tranzystorów okazały się zabójcze dla niego przy dłuższej pracy.

Dało jednak się sprawdzić w końcowej fazie życia tego prototypu wcześniejsze teorie związane ze wzbudnikiem oraz z transformatorem dopasowującym. Dowiedzieliśmy się na tej "lekcji" że wzbudnik bardzo dobrze zakłóca pracę LEMa i/lub czujnika Halla. Dowiedzieliśmy się, że zasilanie jednofazowe kończy się na mocy ok. 4kW. Może dałoby się i więcej, ale mieliśmy za małą pojemność w prostowniku zasilającym końcówkę przetwornicy. Dla prawidłowej pracy pętli PLL nie może być mowy o "przerwach" w zasilaniu.

Poniższe oscylogramy pokazują przebieg napięcia zasilającego obciążonego i nie.

oscylogram

oscylogram

Podczas tych chwilowych niedoborów napięcia pętla PLL gubi zbocz,a co skutkuje rozstrojeniem generatora.

Kolejną wadą, tym razem konstrukcyjną, było umieszczenie końcówki mocy na tej samej płytce co układ sterujący z generatorem VCO i Atmegą na czele. Może nie byłby to błąd krytyczny, gdyby płytka została wykonana w profesjonalny sposób, a nie za pomocą papieru kredowego i żelazka. Koniec końców płytka zakończyła żywot w bardzo spektakularny sposób sama mocno rozbłyskując, a następnie gasząc światło w całej firmie. Po zgliszczach jakie pozostały, nie byliśmy w stanie jednoznacznie stwierdzić od czego się zaczęło, podejrzanych było kilku.

Głównym podejrzanym był laminat nadżarty kwasem podczas trawienia w wyniku słabego pokrycia tonerem płytki. Czynnik ludzki - dojechaliśmy z mocą do ok. 5 kW. Tranzystory które miały dużą moc ale stosunkowo niski prąd (35A). Wreszcie IR2184, który się ugotował, a skończywszy na zadziorach, z których mogła przeskoczyć mała iskierka inicjująca proces zniszczenia.

Aktualnie trwają prace nad (mam nadzieję) ostateczną wersją.

Zdaję sobie sprawę, że mimo teoretycznie dobrego projektu i sprawdzonych fragmentów - zebrane wszystko razem może okazać się klapą. Jeśli nawet tak będzie, to przynajmniej dowiedziałem się kilku ciekawych rzeczy. Bez względu na finał zdobyłem nowe doświadczenie, a przećwiczone układy z pewnością znajdą jeszcze nie jedno zastosowanie.

Teraz pozostaje tylko testować.....

Jeśli wszystko pójdzie tak, jak chcę, to za kilka tygodni postaram się dopisać gotowe urządzenie, zamieścić zdjęcia. Jeśli będzie inaczej, trzeba będzie się zastanowić, czy dalej szukać jedynie słusznej drogi czy po prostu dać sobie spokój?

CDN...

Hubert Gronczyński

Alpar Teson TME plSerwis Proton Krzaczek Wezan Elgis Faldruk Serwison STM Wąsik Chronoss KN products