Συστήματα επαγωγικής θέρμανσης.

Πρόσφατα σε ένα τμήμα σπουδαστών που διδάσκω μιλήσαμε για τους μετασχηματιστές. Αφού μιλήσαμε για τον λόγο μετασχηματισμού και τις υπόλοιπες ιδιότητες ενός μετασχηματιστή, φτάσαμε και στην κατασκευή του μεταλλικού πυρήνα. Τους εξήγησα τον λόγο που ο πυρήνας δεν είναι κατασκευασμένος από έναν ενιαίο κομμάτι μέταλλο, αλλά από πολλά λεπτά φύλλα μετάλλου (σε κακή ηλεκτρική σύνδεση μεταξύ τους), για να μην θερμαίνεται. Ερώτηση, στην ερώτηση, φτάσαμε στην επαγωγική θέρμανση.

InductionHeating

Επαγωγική θέρμανση είναι η διαδικασία κατά την οποία ένα αγώγιμο υλικό (συνήθως μέταλλο) θερμαίνεται με την βοήθεια ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής. Σε κάθε ηλεκτρικά αγώγιμο σώμα που βρίσκεται στον χώρο δράσης ενός μεταβαλλόμενου μαγνητικού πεδίου, σχηματίζονται κλειστά εσωτερικά ρεύματα που ονομάζονται ρεύματα Εddy (ή ρεύματα Foucault ή δινορεύματα).

EddyCurents

Όταν έχουμε ένα μεγάλο κομμάτι μετάλλου (όπως ο πυρήνας ενός μετασχηματιστή για παράδειγμα), τα ρεύματα που σχηματίζονται είναι αρκετά μεγάλα. Μεγάλο ρεύμα όμως σε ένα μέταλλο σημαίνει αύξηση της θερμοκρασίας του. Αν το ίδιο κομμάτι είναι κατασκευασμένο από επιμέρους μεταλλικά ελάσματα, τα δινορεύματα είναι μικρότερα και δεν έχουμε μεγάλη θέρμανση του πυρήνα.

Lamination_eddy_currents

Σε έναν μετασχηματιστή το φαινόμενο της επαγωγικής θέρμανσης είναι ανεπιθύμητο. Υπάρχουν περιπτώσεις όμως που η επαγωγική θέρμανση μας βοηθά πάρα πολύ. Μεγάλο πλεονέκτημα της επαγωγικής θέρμανσης είναι πως μπορούμε να θερμάνουμε κάποιο αντικείμενο χωρίς παρουσία φλόγας και χωρίς να έχουμε καμία φυσική επαφή μαζί του. Ο χρόνος επαγωγικής θέρμανση είναι ποιο γρήγορος από τους συμβατικούς τρόπου θέρμανσης.

Θέλησα λοιπόν να κατασκευάσω ένα απλό σύστημα επαγωγικής θέρμανσης για να το δείξω στους σπουδαστές. Για να είναι αποδοτικό και γρήγορο ένα σύστημα επαγωγικής θέρμανσης πρέπει το μαγνητικό πεδίο να μεταβάλετε με συχνότητα μερικών kHz έως μερικών MHz. Μία συχνότητα 100 έως 300 kHz είναι τυπική για ένα συνηθισμένο σύστημα επαγωγικής θέρμανσης.

Ο ποιο “απλός” τρόπος να κατασκευάσει κάποιος ένα μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο είναι με την χρήση ενός πυκνωτή παράλληλα σε ένα πηνίο. Το σύστημα αυτό (με την παροχή εξωτερικής ενέργειας) έχει την τάση να ταλαντώνει στην συχνότητα συντονισμού και να παράγει ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο ημιτονικής μορφής. Κατά τον συντονισμού του συστήματος τα ρεύματα που διαρρέουν το πηνίο είναι αρκετά μεγάλα (εκατοντάδες ή χιλιάδες Amperes, σε εμπορικά συστήματα). Αυτό έχει σαν συνέπεια την εμφάνιση ενός ισχυρού, μεταβαλλόμενου μαγνητικού πεδίου. Αν στο εσωτερικό του πηνίου τοποθετηθεί κάποιο μεταλλικό αντικείμενο, τα δινορεύματα που δημιουργούνται είναι τόσο μεγάλα που το θερμαίνουν αρκετά γρήγορα.

zvs

Στο παραπάνω κύκλωμα βλέπουμε την τοπολογία που διάλεξα για την παροχή ενέργειας στο πηνίο και τον πυκνωτή. Το κύκλωμα αυτό ονομάζεται ZVS (Zero Voltage Switching). Είναι πολύ απλό σαν κατασκευή. Το μόνο δύσκολο κομμάτι είναι η κατασκευή του πηνίου με μεσαία λήψη. Το κύκλωμα αυτό είναι “αυτοταλάντο”. Ξεκινά ταλάντωση στην συχνότητα συντονισμού, χωρίς κάποιο εξωτερική οδήγηση δηλαδή.

DSC01998

Το πηνίο είναι κατασκευασμένο από μονόκλωνο καλώδιο διατομής 2,5 mm2 (δυομισάρι). Οι πυκνωτές είναι μεταλλικού φιλμ, 1 uF στα 400 volts (Siemens MKP B32650). Χρησιμοποιώ παράλληλα τρεις τέτοιους πυκνωτές με συνολική χωρητικότητα 3 uF. Οι πυκνωτές πρέπει να είναι καλής ποιότητας, (τύπου φιλμ) για να αντέξουν. Και με έναν πυκνωτή θα δούλευε το σύστημα. Σε υψηλότερη συχνότητα και ίσως να ήταν καλύτερο (γρηγορότερη θέρμανση). Το θέμα είναι πως ένας πυκνωτής από μόνος του δεν θα μπορούσε να αντέξει τόσο μεγάλο ρεύμα. Τώρα μοιράζεται το ρεύμα και στους τρεις πυκνωτές.

DSC01999

Το πηνίο L2 είναι απλά ένα στραγγαλιστικό πηνίο (choke) που δεν επιτρέπει την συχνότητα συντονισμού να περάσει προς την τροφοδοσία. Το πήρα από ένα παροπλισμένο ραδιοκασετόφωνο αυτοκινήτου (το είχε σαν φίλτρο στην τροφοδοσία των 12 volts). Τα MOSFET (IRFS630) είναι τα μόνα που βρήκα στο συρτάρι μου και από το φυλλάδιο τεκμηρίωσης είδα πως είναι κατάλληλα. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν πολλά μοντέλα. Η επιλογή δεν είναι τόσο κρίσιμη. Αυτό που έχει μεγάλη σημασία είναι οι δίοδοι D1 και D2. Πρέπει να είναι γρήγοροι δίοδοι με μικρό δυναμικό φραγμού. Πρέπει να είναι δίοδοι Schottky (για παράδειγμα 1Ν5819). Εγώ χρησιμοποίησα 3PHA20, από ένα παλιό παλμοτροφοδοτικό.

zvs-imp

Παραπάνω βλέπουμε μία βελτιωμένη έκδοση του κυκλώματος. Έχουν προστεθεί δύο αντιστάσεις και δύο δίοδοι Zener των 12 volts στις πύλες των MOSFET για να τα προστατεύουν από τάσεις που ξεπερνάνε την μέγιστη τάση μεταξύ πηγής και πύλης που αντέχει ένα MOSFET (τυπικά 20 volts).

Advertisements
This entry was posted in Electronics, Science and tagged , , , , , , , , , , . Bookmark the permalink.

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s