Девайсы
Статьи
Контакты

Мостовой инвертор на UC3825. Индукционный нагрев

В данной статье описана схема инвертора напряжения с мостовой топологией на базе генератора UC3825. Мощность инвертора составляет около 2 кВт продолжительной нагрузки. Устройство может применяться в различных лабораторных приложениях, в том числе и для индукционного нагрева металлов (без АПЧ).
Вся конструкция инвертора состоит из двух блоков - блока управления и силового блока.



Блок управления

Схема блока управления на UC3825
Рисунок 1 - Схема блока управления мостом



Принципиальная схема блока управления аналогична схеме из "Полумоста на UC3825". Основные отличия в том, что трансформатор управления (GDT) содержит 6 обмоток по 25 витков и поднята максимальная частота генератора до 200 кГц. На схеме резистор на 5-й ноге (последовательно с подстроечником) должен быть в корпусе SMD (с малой индуктивностью). Подстроечый резистор частотозадающей цепи также должен быть качественным, малошумящим. Регулировка выходной мощности производится изменением длительности импульсов при помощи резистора R6.
Регулировку схемы ограничения тока КЗ можно производить на готовом устройстве с использованием мощной активной нагрузки, при пониженном напряжении силовой цепи. В разрыв питания силовой цепи включается амперметр, подстроечник R13 устанавливается на минимум, подается пониженное питание. С изменением сопротивления подстроечника R13 должны меняться показания амперметра, он показывает ток, при котором будет действовать ограничение. Величина уставки устанавливается в зависимости от того, на какой максимальный ток рассчитаны транзисторы инвертора.
На выходе плата генерирует четыре однополярных управляющих сигнила. Осциллограмма (Рис. 2 а) снята, с двух линий управления без подключенных ключей, на ней видны два сигнала и мертвое время. На осциллограмме (Рис. 2 б) изображен один из управляющих сигналов, непосредственно на ногах одного из силовых транзисторов.



Рисунок 2 - Осциллограммы управляющих сигналов




Рисунок 3 - Изображение платы управления


Driver_PCB_r1.lay (160 кб) - плата управления в формате SprintLayout



Силовой блок

Схема силового блока
Рисунок 4 - Схема силового блока



В силовой блок входят сам инвертор, выпрямитель сетевого напряжения, трансформатор тока, схема питания кулера и индикации его перегрева. Транзисторы моста обвязаны стабилитронами, возвратными диодами и RC-снабберами. При закрытии ключей одного из плеч происходит быстрое изменение тока в нагрузке. Если нагрузка имеет индуктивный характер, то в моменты коммутации могут возникать индуктивные выбросы (ЭДС самоиндукции), амплитуда которых пропорциональна величине индуктивности и скорости изменения тока. Такие переходные процессы могут вывести ключи из строя. Снабберы снижают скорость закрытия ключей, и этим снижают амплитуду индуктивных выбросов. Стабилитроны VD1, VD2, VD6, VD7 предназначены для защиты затворов от возможных перенапряжений. Сапрессор VD8 также защищает элементы силовой цепи от перенапряжений. Для охлаждения ключей моста использован кулер для CPU компьютера.

В завершенном устройстве, перед подачей питания на мост, необходимо проверить формы управляющих сигналов непосредственно на затворах (см. Рис. 2 б). При стабильной работе длительность фронта/спада может быть порядка 200-250 нс, амплитуда импульсов 12-14 В, dead-time не менее 0,8 мкс (для данного типа транзисторов). Инвертор испытан на нагрузке в 2кВт. Для повышения мощности можно использовать более мощные транзисторы и лучшую систему охлаждения.





Рисунок 5 - Изображение силового блока



Индукционный нагрев

В качестве выходного контура использован последовательный LC-контур с согласующим трансформатором. Индуктор изготовлен из медной трубки диаметром 6 мм, имеет диаметр 42 мм, высоту 60 мм, количество витков - 7. Батарея конденсаторов набрана из 16 шт. CBB81 0,1мкФ*2000В, общая емкость составляет 1,6 мкФ. Согласующий трансформатор намотан на сердечнике из трех колец М2000НМ К45x28x8, имеет 25 витков первичной обмотки. Фактическая резонансная частота контура составляет 146 кГц.


Рисунок 6 - Схема выходного контура


При резонансе напряжений в идеальном последовательном LC-контуре, ток ограничивается только активным сопротивлением контура. Следовательно, если частота инвертора равна резонансной частоте контура, индуктор пустой (без нагрузки) и не принято никаких мер по избежанию работы в таком режиме, то инвертор будет работать практически на КЗ. Избежать такого режима можно несколькими способами. Один из них - постоянная работа с графитовым тиглем. Графит снизит добротность контура. Второй способ - включение с уже нагруженным индуктором. При внесении заготовки в индуктор, меняется его индуктивность и резонансная частота контура. На сколько сильно сдвинется частота, зависит от массы и материала заготовки. В зависимости от магнитных свойств материала, частота может сдвигаться как вниз (сталь, железо), так и вверх (медь, нерж. сталь). Кроме того, резонансная частота меняется при изменени температуры нагреваемого металла. Мощность, передаваемая на нагрев заготовки максимальна только на резонансной частоте. Поэтому при фиксированной частоте генератора, которая не всегда равна резонансной, нельзя добиться полной отдачи полезной мощности.

Больше всего такой тип ивертора (с автономным генератором) подходит для нагрева небольших (относительно индуктора) стальных, заготовок. Потому, что сталь имеет высокую магнитную проницаемость (снижает резонансную частоту) и сильно снижает добротность. Но следует иметь ввиду, что резонансная частота увеличивается по мере нагрева стали.

Наиболее простой способ подстройки частоты в резонанс - отслеживание тока, потребляемого инвертором в процессе регулирования частоты генератора (R9). Частота, при которой потребляемый ток наибольший, является резонансной. Если настройка правильная, то, при постепенном внесении в индуктор заготовки из ферромагнетика, ток будет снижаться. При выведении заготовки ток будет расти.
На осцоллографе резонанс можно определить по отсутствию сдвига фаз между током в контуре напряжением на нем.
Следующий график показывает приблизительную зависимость потребляемого контуром тока от частоты инвертора, со стальной заготовкой в индукторе, и без нее.


Рисунок 7 - Изменение резонансной кривой при внесении стальной заготовки




Фотоархив



Видео





Комментарии

#14 сообщение от Дмитрий 20.04.2014
провода МГТФ бывают разного сечения. Какое сечение вы использовали?
#13 сообщение от Олег 19.04.2014
А производить настройку без ЛАТРа можно?
#12 сообщение от admin 18.04.2014
Можно мотать хоть витой парой от сетей. Изоляция должна держать высокочастотную переменку амплитудой 310 В, МГТФ с его фторопластовой изоляцией с этим справляется, к тому же термостоек, гибок и т.д.
#11 сообщение от Дмитрий 18.04.2014
А можно ли заменить провод МГТФ для намотки трансформатора? например: проволока 0.6-1мм?
#10 сообщение от admin 18.04.2014
Евгений, можно. И желательно с буквами UD в конце. Для IGBT с диодами можно не ставить внешние VD3, VD4, VD5, VD6. Кольцо М2000НМ1 К28-16-9 обмотки по 25 витков.
#9 сообщение от admin 18.04.2014
На 2200мкФ, очевидно, целесообразно юзать полярные электролиты. На схеме не обозначал, т.к. полярные они или нет - не важно. Думаю, в питании полярность электролита попутать сложно.
#8 сообщение от Дмитрий 18.04.2014
C1 C2 полярные же?
#7 сообщение от Евгений 18.04.2014
Можно ли вместо MOSFET IRFP460 поставить IGBT IRG4PC50? Подскажите тип кольца и намоточные данные трансформатора TV2.
#6 сообщение от admin 16.04.2014
Дмитрий, я не вижу там КЗ. Если можно, ткните носом, ноги/позиции :) Подавать постоянку с другого источника, конечно же, можно.
#5 сообщение от Дмитрий 16.04.2014
почему в питании блока управления плюс соединен с минусом? это КЗ? или так нужно? Можно ли исключить трансформатор и диоды и сразу подать 12в?
|1| |2| |3| |4| |5|



Добавление комментария
Имя:
E-mail:
Сообщение:
0