Come progettare un circuito di riscaldamento a induzione

L'articolo spiega un tutorial passo passo sulla progettazione del tuo circuito di riscaldamento a induzione di base fatto in casa, che può essere utilizzato anche come piano cottura a induzione.

Concetto di base del riscaldatore a induzione

Potresti aver incontrato molti circuiti di riscaldamento a induzione fai-da-te online, ma nessuno sembra aver affrontato il segreto cruciale dietro l'implementazione di un design di riscaldatore a induzione perfetto e di successo. Prima di conoscere questo segreto sarebbe importante conoscere il concetto di funzionamento di base di un riscaldatore a induzione.

Un riscaldatore a induzione è in realtà una forma estremamente 'inefficiente' di trasformatore elettrico, e questa inefficienza diventa la sua principale caratteristica vantaggiosa.

Sappiamo che in un trasformatore elettrico il nucleo deve essere compatibile con la frequenza indotta e quando c'è un'incompatibilità tra la frequenza e il materiale del nucleo in un trasformatore, si ottiene la generazione di calore.

Fondamentalmente un trasformatore con nucleo in ferro richiederà un intervallo di frequenza inferiore da circa 50 a 100 Hz e, poiché questa frequenza viene aumentata, il nucleo potrebbe mostrare una tendenza a riscaldarsi proporzionalmente. Ciò implica che se la frequenza viene aumentata a un livello molto più alto potrebbe essere superiore a 100 kHz, il risultato sarebbe la generazione di calore estremo all'interno del nucleo.

Sì, questo è esattamente ciò che accade con un sistema di riscaldamento a induzione in cui il piano cottura funge da nucleo e quindi è costituito da materiale di ferro. E la bobina di induzione è sottoposta ad un'alta frequenza, insieme questo si traduce nella generazione di una quantità di calore proporzionalmente intensa sulla nave. Poiché la frequenza è ottimizzata a un livello notevolmente elevato garantisce il massimo calore possibile sul metallo.

Ora procediamo e impariamo gli aspetti importanti che possono essere richiesti per progettare un circuito di riscaldamento a induzione di successo e tecnicamente corretto. I seguenti dettagli spiegheranno questo:

Di cosa avrai bisogno

Le due cose basilari necessarie per costruire qualsiasi pentola a induzione sono:

1) Una bobina bifilare.

2) Un circuito generatore di frequenza regolabile

Ho già discusso alcuni circuiti del riscaldatore a induzione in questo sito Web, puoi leggerli di seguito:

Circuito di riscaldamento a induzione solare

Circuito del riscaldatore a induzione che utilizza IGBT

Circuito del riscaldatore a induzione semplice - Circuito del fornello a piastra calda

Circuito di riscaldamento a induzione piccolo per progetto scolastico

Tutti i collegamenti precedenti hanno le due cose precedenti in comune, ovvero hanno una bobina di lavoro e uno stadio di oscillatore del driver.

Progettazione della bobina di lavoro

Per progettare una pentola a induzione, la bobina di lavoro dovrebbe essere di natura piatta, quindi deve essere di tipo bifilare con la sua configurazione, come mostrato di seguito:

Il design del tipo di bobina bifilare mostrato sopra può essere efficacemente implementato per realizzare pentole a induzione fatte in casa.

Per una risposta ottimale e una bassa generazione di calore all'interno della bobina, assicurarsi che il filo della bobina bifilare sia realizzato utilizzando molti fili sottili di rame invece di un singolo filo solido.

Quindi, questa diventa la bobina di lavoro della pentola, ora le estremità di questa bobina devono semplicemente essere integrate con un condensatore corrispondente e una rete di driver di frequenza compatibile, come mostrato nella figura seguente:

Progettazione del circuito driver risonante serie H-Bridge

Finora le informazioni dovrebbero averti illuminato su come configurare una semplice pentola a induzione o un design di un piano cottura a induzione, tuttavia la parte più critica del progetto è come far risuonare la rete del condensatore della bobina (il circuito del serbatoio) nella gamma ottimale in modo che il circuito funziona al livello più efficiente.

Per consentire al circuito bobina / condensatore del serbatoio (circuito LC) di funzionare al loro livello di risonanza, è necessario che l'induttanza della bobina e la capacità del condensatore siano perfettamente abbinate.

Ciò può accadere solo quando la reattanza di entrambe le controparti sono identiche, cioè la reattanza della bobina (induttore) e il condensatore sono approssimativamente uguali.

Una volta risolto questo problema, ci si può aspettare che il circuito del serbatoio funzioni alla sua frequenza naturale e la rete LC raggiunga il punto di risonanza. Questo è chiamato circuito LC perfettamente sintonizzato.

Questo conclude le procedure di progettazione del circuito del riscaldatore a induzione di base

Forse ti starai chiedendo cosa sia la risonanza di un circuito LC. ?? E come questo può essere calcolato rapidamente per completare uno specifico progetto di riscaldatore a induzione? Ne discuteremo esaurientemente nelle sezioni seguenti.

I paragrafi precedenti hanno spiegato i segreti fondamentali alla base dello sviluppo di un piano cottura a induzione a basso costo ma efficace a casa, nelle seguenti descrizioni vedremo come questo può essere implementato calcolando in modo specifico i suoi parametri cruciali come la risonanza del suo circuito LC sintonizzato e la dimensione corretta del il filo della bobina per garantire una capacità di gestione della corrente ottimale.

Che cos'è la risonanza nel circuito LC del riscaldatore a induzione

Quando il condensatore all'interno di un circuito LC sintonizzato viene momentaneamente caricato, il condensatore cerca di scaricare e scaricare la carica accumulata sulla bobina, la bobina accetta la carica e immagazzina la carica sotto forma di campo magnetico. Ma non appena il condensatore si è scaricato nel processo, la bobina sviluppa una quantità di carica quasi equivalente sotto forma di campo magnetico e ora cerca di forzarla di nuovo all'interno del condensatore, sebbene con polarità opposta.

Cortesia dell'immagine:

Wikipedia

Il condensatore è nuovamente costretto a caricarsi, ma questa volta nella direzione opposta, e non appena è completamente carico, prova ancora una volta a svuotarsi attraverso la bobina, e questo si traduce in una condivisione avanti e indietro della carica sotto forma di un corrente oscillante attraverso la rete LC.

La frequenza di questa corrente oscillante diventa la frequenza di risonanza del circuito LC sintonizzato.

Tuttavia, a causa di perdite intrinseche, le oscillazioni di cui sopra alla fine si estinguono nel corso del tempo e la frequenza, la carica, tutte le cariche terminano dopo un po 'di tempo.

Ma se si consente alla frequenza di sostenersi attraverso un ingresso di frequenza esterno, sintonizzato allo stesso livello di risonanza, ciò potrebbe garantire un effetto di risonanza permanente indotto attraverso il circuito LC.

Alla frequenza di risonanza possiamo aspettarci che l'ampiezza della tensione che oscilla attraverso il circuito LC sia al livello massimo, risultando nell'induzione più efficiente.

Pertanto possiamo implicare che, per implementare una risonanza perfetta all'interno di una rete LC per un progetto di riscaldatore a induzione, dobbiamo garantire i seguenti parametri cruciali:

1) Un circuito LC sintonizzato

2) E una frequenza corrispondente per sostenere la risonanza del circuito LC.

Questo può essere calcolato utilizzando la seguente semplice formula:

F = 1 ÷ 2π X √LC

dove L è in Henry e C è in Farad

Se non vuoi affrontare la seccatura di calcolare la risonanza del serbatoio LC della bobina attraverso la formula, un'opzione molto più semplice potrebbe essere quella di utilizzare il seguente software:

Calcolatore della frequenza di risonanza LC

Oppure puoi anche costruire questo Grid Dip meter per identificare e impostare la frequenza di risonanza.

Una volta identificata la frequenza di risonanza, è il momento di impostare il circuito integrato a ponte intero con questa frequenza di risonanza selezionando opportunamente i componenti di temporizzazione Rt e Ct. Questo può essere fatto per tentativi ed errori attraverso misurazioni pratiche o attraverso la seguente formula:

La seguente formula può essere utilizzata per calcolare i valori di Rt / Ct:

f = 1 / 1.453 x Rt x Ct dove Rt è in Ohm e Ct in Farads.

Utilizzo della risonanza in serie

Il concetto di riscaldatore a induzione discusso in questo post utilizza un circuito risonante in serie.

Quando viene impiegato un circuito LC risonante in serie, abbiamo un induttore (L) e un condensatore (C) collegati in serie, come mostrato nel diagramma seguente.

La tensione totale V applicata attraverso la serie LC sarà la somma della tensione attraverso l'induttore L e la tensione attraverso il condensatore C. La corrente che fluisce attraverso il sistema sarà uguale alla corrente che fluisce attraverso i componenti L e C.

V = VL + VC

I = IL = IC

La frequenza della tensione applicata influenza le reattanze dell'induttore e del condensatore. All'aumentare della frequenza da un valore minimo a un valore più alto, la reattanza induttiva XL dell'induttore aumenterà proporzionalmente, ma XC, che è la reattanza capacitiva, diminuirà.

Tuttavia, mentre la frequenza viene aumentata, ci sarà una particolare istanza o soglia in cui le grandezze della reattanza induttiva e della reattanza capacitiva saranno appena uguali. Questa istanza sarà il punto di risonanza della serie LC e la frequenza può essere impostata come frequenza di risonanza.

Pertanto, in un circuito risonante in serie, la risonanza si verificherà quando

XL = XC

oppure ωL = 1 / ωC

dove ω = frequenza angolare.

La valutazione del valore di ω ci dà:

ω = ωo = 1 / √ LC, che è definita come la frequenza angolare di risonanza.

Sostituendolo nell'equazione precedente e convertendo anche la frequenza angolare (in radianti al secondo) in frequenza (Hz), otteniamo finalmente:

fo = ωo / 2π = 1 / 2π√ LC

fo = 1 / 2π√ LC

Calcolo della dimensione del filo per la bobina di lavoro del riscaldatore a induzione

Dopo aver calcolato i valori ottimizzati di L e C per il circuito del serbatoio del riscaldatore a induzione e valutato l'esatta frequenza compatibile per il circuito del driver, è il momento di calcolare e fissare la capacità di gestione della corrente della bobina di lavoro e del condensatore.

Poiché la corrente coinvolta nel progetto di un riscaldatore a induzione potrebbe essere sostanzialmente grande, questo parametro non può essere ignorato e deve essere correttamente assegnato al circuito LC.

L'utilizzo di formule per il calcolo delle dimensioni dei fili per una dimensione del filo di induzione può essere un po 'difficile soprattutto per i nuovi arrivati, ed è esattamente per questo che in questo sito è stato abilitato un software speciale per lo stesso, che qualsiasi hobbista interessato può utilizzare per dimensionare il filo della giusta dimensione per il tuo circuito a induzione.