自制简易高频感应加热文档格式.docx
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式中:
e瞬时电势,V;
零件上感应电流回路所包围面积的总磁通,Wb,其数值随感应器中的电流强度和零件材料的磁导率的增加而增大,并与零件和感应器之问的间隙有关。
为磁通变化率,其绝对值等于感应电势。
电流频率越高,磁通变化率越大,使感应电势P相应也就越大。
式中的负号表示感应电势的方向与的变化方向相反。
零件中感应出来的涡流的方向,在每一瞬时和感应器中的电流方向相反,涡流强度取决于感应电势及零件内涡流回路的电抗,可表示为:
式中,I涡流电流强度,A;
Z自感电抗,;
R零件电阻,;
X阻抗,。
由于Z值很小,所以I值很大。
零件加热的热量为:
式中Q热能,J;
t加热时间,s。
对铁磁材料(如钢铁),涡流加热产生的热效应可使零件温度迅速提高。
钢铁零件是硬磁材料,它具有很大的剩磁,在交变磁场中,零件的磁极方向随感应器磁场方向的改变而改变。
在交变磁场的作用下,磁分子因磁场方向的迅速改变将发生激烈的摩擦发热,因而也对零件加热起一定作用,这就是磁滞热效应。
这部分热量比涡流加热的热效应小得多。
钢铁零件磁滞热效应只有在磁性转变点A2(768℃)以下存在,在A2以上,钢铁零件失去磁性,因此,对钢铁零件而言,在A2点以下,加热速度比在A2点以上时快。
感应加热具体应用感应加热设备
感应加热设备是产生特定频率感应电流,进行感应加热及表面淬火处理的设备。
感应加热表面淬火
将工件放在用空心铜管绕成的感应器内,通入中频或高频交流电后,在工件表面形成同频率的的感应电流,将零件表面迅速加热(几秒钟内即可升温800~1000度,心部仍接近室温)后立即喷水冷却(或浸油淬火),使工件表面层淬硬。
与普通加热淬火比较感应加热表面淬火具有以下优点:
1、加热速度极快,可扩大A体转变温度范围,缩短转变时间。
2、淬火后工件表层可得到极细的隐晶马氏体,硬度稍高(2~3HRC)。
脆性较低及较高疲劳强度。
3、经该工艺处理的工件不易氧化脱碳,甚至有些工件处理后可直接装配使用。
4、淬硬层深,易于控制操作,易于实现机械化,自动化。
感应加热(高频电炉)制作教程成本估算:
紫铜管紫铜带:
210元
EE85加厚磁芯2个:
60元
高频谐振电容3个:
135元
胶木板:
水泵及PU管:
52元
PLL板:
30元
GDT板:
20元
电源板:
50元
MOSFET:
2KW调压器:
280元
散热板:
80元
共计:
997元
总体架构:
串联谐振2.5KW锁相环追频ZVS,MOSFET全桥逆变;
磁芯变压器两档阻抗变换,水冷散热,市电自耦调压调功,母线过流保护。
先预览一下效果,如下图:
加热金封管3DD15
加热304不锈钢管
加热小金属球
加热铁质垫圈
在开始制作之前,有必要明确一些基础性原理及概念,这样才不致于一头雾水。
1、加热机制(扫盲用,高手跳过)1.1涡流,只要是金属物体处于交变磁场中,都会产生涡流,强大的高密度涡流能迅速使工件升温。
这个机制在所有电阻率不为无穷大的导体中均存在。
1.2感应环流,工件相当于一个短路的1匝线圈,与感应线圈构成一个空心变压器,由于电流比等于匝比的反比,工件上的电流是感应线圈中电流的N(匝数)倍,强大的感应短路电流使工件迅速升温。
这个机制在任何导体中均存在,恒定磁通密度情况下,工件与磁场矢量正交的面积越大,工件上感生的电流越大,效率越高。
由此可看出,大磁通切割面积的工件比小面积的工件更容易获得高温。
1.3磁畴摩擦(在铁磁体内存在着无数个线度约为10-4m的原本已经磁化了的小区域,这些小区域叫磁畴),铁磁性物质的磁畴,在交变磁场的磁化与逆磁环作用下,剧烈摩擦,产生高温。
这个机制在铁磁性物质中占主导。
由此可看出,不同材料的工件,因为加热的机制不同,造成的加热效果也不一样。
其中铁磁物质三中机制都占,加热效果最好。
铁磁质加热到居里点以上时,转为顺磁性,磁畴机制减退甚至消失。
这时只能靠剩余两个机制继续加热。
当工件越过居里点后,磁感应现象减弱,线圈等效阻抗大幅下降,致使谐振回路电流增大。
越过居里点后,线圈电感量也跟着下降。
LC回路的固有谐振频率会发生变化。
致使固定激励方式的加热器失谐而造成设备损坏或效率大减。
2、为什么要采用谐振?
应采用何种谐振2.1先回答第一个问题。
我曾经以为只要往感应线圈中通入足够强的电流,就成一台感应加热设备了。
也对此做了一个实验,见下图。
实验中确实有加热效果,但是远远没有达到电源的输出功率应有的效果。
这是为什么呢,我们来分析一下,显然,对于固定的工件,加热效果与逆变器实际输出功率成正比。
对于感应线圈,基本呈现纯感性,也就是其间的电流变化永远落后于两端电压的变化,也就是说电压达到峰值的时候,电流还未达到峰值,功率因数很低。
我们知道,功率等于电压波形与电流波形的重叠面积,而在电感中,电流与电压波形是错开一个角度的,这时的重叠面积很小,即便其中通过了巨大的电流,也是做无用功。
这是如果单纯的计算P=UI,得到的只是无功功率。
而对于电容,正好相反,其间的电流永远超前于电压变化。
如果将电容与电感构成串联或并联谐振,一个超前,一个滞后,谐振时正好抵消掉。
因此电容在这里也叫功率补偿电容。
这时从激励源来看,相当于向一个纯阻性负载供电,电流波形与电压波形完全重合,输出最大的有功功率。
这就是为什么要采取串(并)补偿电容构成谐振的主要原因。
2.2第二个问题,LC谐振有串联谐振和并联谐振,该采用什么结构呢。
说得直白一点,并联谐振回路,谐振电压等于激励源电压,而槽路(TANK)中的电流等于激励电流的Q倍。
串联谐振回路的槽路电流等于激励源电流,而L,C两端的电压等于激励源电压的Q倍,各有千秋。
从电路结构来看:
对于恒压源激励(半桥,全桥),应该采用串联谐振回路,因为供电电压恒定,电流越大,输出功率也就越大,对于串联谐振电路,在谐振点时整个回路阻抗最小,谐振电流也达到最大值,输出最大功率。
串联谐振时,空载的回路Q值最高,L,C两端电压较高,槽路电流白白浪费在回路电阻上,发热巨大。
对于恒流源激励(如单管电路),应采用并联谐振,自由谐振时LC端电压很高,因此能获得很大功率。
并联谐振有个很重要的优点,就是空载时回路电流最小,发热功率也很小。
值得一提的是,从实验效果来看,同样的谐振电容和加热线圈,同样的驱动功率,并联谐振适合加热体积较大的工件,串联谐振适合加热体积小的工件。
3、制作过程明白了以上原理后,可以着手打造我们的感应加热设备了。
我们制作的这个设备主要由调压整流电源、锁相环、死区时间发生器、GDT电路、MOS桥、阻抗变换变压器、LC槽路以及散热系统几大部分组成,见下图。
我们再来对构成系统的原理图进行一些分析,如下:
槽路部分:
从上图可以看出,C1、C2、C3、L1以及T1的次级(左侧)共同构成了一个串联谐振回路,因为变压器次级存在漏感,回路的走线也存在分布电感,所以实际谐振频率要比单纯用C1-C3容量与L1电感量计算的谐振频率略低。
图中L1实际上为1uH,我将漏感分布电感等加在里面所以为1.3uH,如图参数谐振频率为56.5KHz。
从逆变桥输出的高频方波激励信号从J2-1输入,通过隔直电容C4及单刀双掷开关S1后进入T1的初级,然后流经1:
100电流互感器后从J2-2回流进逆变桥。
在这里,C4单纯作为隔直电容,不参与谐振,因此应选择容量足够大的无感无极性电容,这里选用CDE无感吸收电容1.7uF400V五只并联以降低发热。
S1的作用为阻抗变换比切换,当开关打到上面触点时,变压器的匝比为35:
0.75,折合阻抗变比为2178:
1;
当开关打到下面触点时,变压器匝比为24:
0.75,折合阻抗变比为1024:
1。
为何要设置这个阻抗变比切换,主要基于以下原因。
(1)铁磁性工件的尺寸决定了整个串联谐振回路的等效电阻,尺寸越大,等效电阻越大。
(2)回路空载和带载时等效电阻差别巨大,如果空载时变比过低,将造成逆变桥瞬间烧毁。
T2是T1初级工作电流的取样互感器,因为匝比为1:
100,且负载电阻为100,所以当电阻上电压为1V时对应T1初级电流为1A。
该互感器应有足够小的漏感且易于制作,宜采用铁氧体磁罐制作,如无磁罐也可用磁环代替。
在调试电路时,可通过示波器检测J3两端电压的波形形状和幅度而了解电路的工作状态,频率,电流等参数,亦可作为过流保护的取样点。
J1端子输出谐振电容两端的电压信号,当电路谐振时,电容电压与T1次级电压存在90相位差,将这个信号送入后续的PLL锁相环,就可以自动调节时激励频率始终等于谐振频率。
且相位恒定。
(后文详述)
L1,T1线圈均采用紫铜管制作,数据见上图,工作中,线圈发热严重,必须加入水冷措施以保证长时间安全工作。
为保证良好的传输特性以及防止磁饱和,T1采用两个EE85磁芯叠合使用,在绕制线圈时需先用木板做一个比磁芯舌截面稍微大点的模子,在上面绕制好后脱模。
如下图:
PLL锁相环部分:
上图为PLL部分,是整个电路的核心。
关于CD4046芯片的结构及工作原理等,我不在这里详述,请自行查阅书籍或网络。
以U1五端单片开关电源芯片LM2576-adj为核心的斩波稳压开关电路为整个PLL板提供稳定的,功率强劲的电源。
图中参数可以提供15V2A的稳定电压。
因为采用15V的VDD电源,芯片只能采用CD40xx系列的CMOS器件,74系列的不能在此电压下工作。
CD4046锁相环芯片的内部VCO振荡信号从4脚输出,一方面送到U2为核心的死区时间发生器,用以驱动后级电路。
另一方面回馈到CD4046的鉴相器输入B端口3脚。
片内VCO的频率范围由R16、R16、W1、C13的值共同决定,如图参数时,随着VCO控制电压0-15V变化,振荡频率在20KHz-80KHz之间变化。
从谐振槽路Vcap接口J1送进来的电压信号从J4接口输入PLL板,经过R14,D2,D3构成的钳位电路后,送入CD4046的鉴相器输入A端口14脚。
这里要注意的是,Vcap电压的相位要倒相输入,才能形成负反馈。
D2,D3宜采用低结电容的检波管或开关管如1N4148、1N60之类。
C7、C12为CD4046的电源退耦,旁路掉电源中的高频分量,使其稳定工作。
现在说说工作流程,我们选用的是CD4046内的鉴相器1(XOR异或门)。
对于鉴相器1,当两个输人端信号Ui、Uo的电平状态相异时(即一个高电平,一个为低电平),输出端信号U为高电平;
反之,Ui、Uo电平状态相同时(即两个均为高,或均为低电平),U输出为低电平。
当Ui、Uo的相位差在0-180范围内变化时,U的脉冲宽度m亦随
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