Установка для индукционного нагрева., Необходимы теория, расчеты, схемы... Опции

[Ostver]

Необходимо разработать установку для индукционного нагрева для закалки металлических изделий (известная также, как печь на токах высокой частоты - ТВЧ). Ориентировочная мощность 5...10 кВт. Никогда подобным не занимался, поэтому прошу поделиться информацией из этой области. В инете информации недостаточно, большей частью рекламного характера. Интересным будет все, что касается темы.

[avv]

Интересным будет все, что касается темы.

Точно всё? Есть такая книжка: 300 практических советов... Автор Бастанов, 86г. Так там есть совет 91- Малогабаритная высокочастотная установка для плавки металлов. (На лампах! И мощность совсем маленькая - около 300 Вт). Но к теме близко, или это мне только кажется? Есть в DJVU, если вдруг потребуется.

[Ostver]

Есть такая книжка: 300 практических советов... Автор Бастанов, 86г. Так там есть совет 91- Малогабаритная высокочастотная установка для плавки металлов. (На лампах! И мощность совсем маленькая - около 300 Вт).

Случаем не это: picbasic.net.ru?

[sK0T]

А может быть кто-нибудь добрый и хорошо разбирающийся в мощных транзистрах нарисует эту схему для случая современной элементной базы? А то идея домашней индукционной печи мне понравилась, на лампах делать не хочется, а в собственные силы при проектировании такой штуки я почему-то не верю. :-/

[avv]

Случаем не это: picbasic.net.ru?

Точно, оно. То самое
Кстати, поддерживаю sKOT-а, не он один еще силу не почувствовал. Меня тоже эта тема интересует, и очень хотелось бы взглянуть, как это сделал бы матерый инженегр

[IgorRadvogin]

Наша компания занимается разработкой и производством установок ТВЧ на современной элементной базе.С какой частотой требуется установка? Какие задачи она будет выполнять?

[Ostver]

С какой частотой требуется установка?

Прошу пояснить в каком диапазоне частот работают подобные устройства. Исходя из чего выбирается рабочая частота?

Какие задачи она будет выполнять?

Для закалки полосовой стали.

[IgorRadvogin]

Установки работают в диапазоне от 0,5 до 100кГц. Частота выбирается из техпроцесса. Закалка, пайка, плавка, разогрев перед штамповкой или ковкой.

Требуются габаритные размеры полосы, марка материала (его магнитная проницаемость, точка Кюри), скорость нагрева, температура нагрева, какой слой требуется прогреть (поверхностная или объемная закалка? ), режим работы установки по времени (постоянный при длинной полосе или периодичный), требуемая производительность

Собираются на IGBT транзисторах

[Ostver]

Ниже приведены приблизительные данные.
Техпроцесс: закалка.
Габаритные размеры, мм: 1000*100*15 (max).
Марка материала: высокоуглеродистая сталь.
Скорость нагрева: регулируемая, до 60 сек.
Температура нагрева: регулируемая, до 900 град. С.
Закалка поверхностная.
Режим работы установки: периодичный.
Производительность: до 10 часов в неделю.

[IgorRadvogin]

Тогда требуются следующие данные: глубина закалки (0,3мм, 1мм, 2 мм?). Требуется ли для процесса длинный индуктор (примерно 1000мм по длине заготовки) или возможно организовать перемещение заготовки через индуктор шириной 100 мм со скоростью, например 20 мм/с

От глубины закалки следует выбрать частоту генератора

[Ostver]

Глубина закалки: 1 мм.
Нет необходимости в длинном индукторе, достаточно 100...200 мм.
Существуют ли универсальные установки (с регулируемыми параметрами)? Получается так, что установка для индукционного нагрева проектируется индивидуально для конкретной детали.

[IgorRadvogin]

Генератор не проектируется специально, рабочие частоты перепрограммируются (управление производится с помощью контроллера) Требуется правильно спроектировать индуктор и согласующий трансформатор с батареей конденсаторов для компенсации реактивной мощности. Это позволит получить нужное распределение электромагнитного поля вокруг индуктора, получить резонанс в цепи индуктора и, значит, получить высокий КПД. У лампового генератора обычно КПД 30-40% , у транзисторного можно получить 95%

[Ostver]

Как будет выглядеть общая схемотехника подобной установки?

[IgorRadvogin]

Схема, естественно, является коммерческой тайной компании, могу отправить блоксхему. Ваша цель- попробовать свои силы в проектировании или приобрести готовую установку? У нас самые низкие цены (500 $ за кВт высокочастотной мощности- генератор + трансблок и индуктор). Проектировать с нуля очень долго, много нюансов управления IGBT транзиcторами, требуется предусмотресть все виды защит, написать программу управления и изменения параметров.

[Ostver]

Действительно, моя цель - самостоятельное проектирование подобного устройства. Больших сложностей возникнуть не должно, так как, сам занимаюсь разработкой силовой преобразовательной техники. С подобной тематикой столкнулся впервые, поэтому интересно. А посмотреть на блок-схему было бы интресно.

[fir]

Как будет выглядеть общая схемотехника подобной установки?

Схематехника на современной базе
«ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НА IGBT
ДЛЯ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА» здесь
http://promel2000.narod.ru/ind_heat.htm

Будет интересно посмотреть дизайн и компоновку
установок предназначены для плавки небольших объемов металлов
http://www.reltec.biz/ru/
или здесь
http://mexel.narod.ru/Draiv2.html

Картинки индукторов здесь
«ИНДУКТОРЫ ДЛЯ НАГРЕВА И ЗАКАЛКИ ДЕТАЛЕЙ ТОКАМИ ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ»
http://www.vptitm.ru/inductors_5.htm
или здесь (в примерах)
http://www.ema-tec.de/ru/indukt.php

Наверное, будет интересна брошюрка
«Индукторы» 1989 г. 69 стр. Илл. А.Е. Слухоцкий
В брошюре рассмотрены вопросы теории индукторов, общие принципы их конструирования, выбор основных размеров. Рассказано о роли электромагнитных экранов и магнитопроводов. Значительное место отведено тепловому расчету режимов нагрева, а также расчету нагревателей для сквозного нагрева.

5…10кВт для начала – это много. То, что вы занимались силовой эл., конечно плюс, но в данной области не большой, очень много специфики. Охлаждение – водяное, прежде всего индуктора, и силовой части, то же. При 10 кВт и кпд 95% - 500вт надо рассеять. При этом охлаждение, не только силовых
п/п приборов, но и конденсаторов выходного контура, индуктивных элементов (трансформатор или дроссель, зависит от реализации). Первый подводный камень – не создать элементами охлаждения паразитных контуров и связей, особенно осторожно с охлаждением индуктивных элементов.
Второй камень – материал корпуса и экранировка, для начала берите алюминий (дюр., силумин и т.п.), когда появится опыт можно переходить на более дешевый материал. Третий (по значимости, наверное, первый) – обязательно наличие системы ФАПЧ, или ЧАПЧ, или ЧИМ, тут каждый «извращается» в меру своих наклонностей или способностей. T.к. выходной контур - система с высокой добротностью, то при любом рассогласовании все киловатты пойдут не в обрабатываемый материал, а в элементы генератора. Сразу, оговорюсь, вариант выставить «частоту» под конкретную деталь - не пройдет, т.к. частота меняется по мере разогрева (до точки Кюри, будет падать, потом расти). Четвертое – элементная база и материалы, прежде всего конденсаторы выходного контура, надо подбирать с наименьшей собственной индуктивностью. Из отечественных, делают, только, в Питере (типа К78). Феррит – только импорт. Силковые моточные изделия старайтесь делать в один слой. Все выше сказанное, актуально, с частот 15…20кГц. В вашем случае «закалка», это уже
сотни кГц…МГц (зависит от глубины и формы детали). Соответственно – это уже не IGBT, а MOSFET, т.е. дороже.
Конечно, в одном посте всего не расскажешь. А для начала, лучше собрать, что-то не более 1…2кВт с частотой до 80 кГц.
Вероятность удачного исхода выше, да и процесс обучения не такой дорогой получится. Удачи.

[Ostver]

To fir:
Благодарю за информативные рекомендации, однако возникли дополнительные вопросы:
1. Каким будет выглядеть узел подключения индуктора к электрической и охладительной системам (по ссылкам рисунки малы для подробного изучения)?
2. Почему выбор материала корпуса является серьезной задчей?
3. Чем обоснована рекомендация использования импортного феррита?

[IgorRadvogin]

Применение, например, стальных конструкционных материалов в корпусе (лист, крепеж) может привести к наведению в нем значительных токов, что приведет к разогреву. Незадачливые конструкторы собрали такой агрегат, в результате болты разогрелись до красна и установка сгорела.
Феррит нужно использовать Epcos N6.. (или другой западный тип), только такой рассчитан на высокие частоты, хотя существует все равно проблема насыщения и перегрева феррита, поэтому требуется точный рассчет. Другой проблемой являются конденсаторы для батареи, при таких частотах некачественные горят постоянно

[IgorRadvogin]

Кстати, для вашей задачи (разогрев поверхности на глубину 1мм за 60с такой длиной детали) требуется установка с рассчетной мощностью 60 кВт.

При правильной конструкции водой охлаждать потребуется только индуктор, трансблок и генератор достаточно воздушного охлаждения вентиляторами

[Ostver]

Кстати, для вашей задачи (разогрев поверхности на глубину 1мм за 60с такой длиной детали) требуется установка с рассчетной мощностью 60 кВт.

Отказался я проектировать относительно мощную установку, сначала - с параметрами по рекомендации fir.

Применение, например, стальных конструкционных материалов в корпусе (лист, крепеж) может привести к наведению в нем значительных токов, что приведет к разогреву...
...
При правильной конструкции водой охлаждать потребуется только индуктор, трансблок и генератор достаточно воздушного охлаждения вентиляторами.

Здесь все понятно, кроме одного: начиная с какой мощности индуктору требуется жидкостное охлаждение (при КПД установки ~95%)?

[nicom]

У моего ходошего друга был очччень забавный случай с подобной установкой...

в 80-х годах Сергей увлекался подобными самоделками, к стати достаточно вредными для здоровья (учтите меры безопасности при настройке и работе...)
Сделал он такую установку - на паре ламп 6П6С. Показывает: смотри - плавит припой - опустил палочку припоя в центр катушки - и действительно припой стал плавиться и капать на пол....
Здорово!, "мощИ" только маловато...
У меня было много разных ламп - ГК71 - такой монстр с графитовым анодом... в количестве 4-х штук отдал для улучшения эксперимента...
Мощность была резко повышена, плавились многие металлы ...
Далее произошло событие, которое несколько изменило жизнь соседу моего друга...
На следующий день сосед встречает Сергея (он живет за стеной) и дрожащим голосом сообщает, что он вчера напился до "белочки": лег спать, вдруг включился свет; я "па-а-а-ашел" выключать лампу, а она только ярче гореть стала... я ее взял в руки - она горит (лампа была люменисцентная) я ее в окно и выбросил - думаю надо бросать пить...
Пить сосед, правда, не бросил, но вот эксперименты с индукционной печкой Серега прекратил - на фиг - на фиг ...

[fir]

1. Каким будет выглядеть узел подключения индуктора к электрической и охладительной системам (по ссылкам рисунки малы для подробного изучения)?
2. Почему выбор материала корпуса является серьезной задчей?
3. Чем обоснована рекомендация использования импортного феррита?

1. Подключение индуктора. Возьму классический вариант – индуктор из медной трубки свитый спиралью. Индуктор расположен вертикально. Соответственно концы трубки, от верхнего и нижнего витков, выводятся горизонтально в одну сторону. Под расстояние между концами трубок делается крепеж. В примитиве – две шины (медь, латунь, естественно обуженные) согнутые под углом 90 градусов. Шины крепятся на вертикальной диэлектрической плите, с таким расчетом, чтобы концы трубок индуктора легли на шины. Далее, берем, еще две (прямые) шины, длинной ~ равной полученным «полочкам». Накладываем сверху на трубки, и полученный «сандвич» скручиваем винтами. Т. е. в результате трубка сверху и снизу зажата шинами, а по бокам зажимные винты. К шинам, как, наверное, уже поняли, подключается электрическая система. Трубки или загибаем (в горизонтальной плоскости) под углом ~90, или пропускаем через плиту, и уже там шлангами подводим воду. Подача воды - на нижнюю трубку, слив - через верхнюю. После того как установка будет проверена и «обкатана», трубки дополнительно, можно припаять к «шинам-полкам».
2. Тут уже подсказали, правда, две причины свели в одну. Первое, стальная конструкция – вихревые токи и как следствие потери, на перемагничивание. Поля будут достаточно сильные. Второе, если Вы взяли алюм. корпус, не факт, что не наделаете паразитных контуров. Пример типичной ошибки – силовые провода (идущие на индуктор) разнесены в пространстве (это, в принципе, правильно), и выводятся через два отверстия в стенке блока. Считайте, что один паразитный контур, Вы уже получили. Делать надо так – в предполагаемом месте вывода делается «окно», которое закрывается диэл. пластиной, а вот уже в этой пластине делать отверстия для вывода проводов. Поэтому я и советовал, для начала не брать стальные корпуса, проблем хватит и с алюминиевым.
3. Первое, у наших ферритовых изделий низкая повторяемость. Второе, наши ферриты менее термостойки. Как показывает практика, свои свойств, они теряют, при гораздо меньших температурах, чем указанно в паспорте. Третье, отечественный П-образный феррит, для установки 10кВт, Вы, просто не найдете, т.к. его нет в природе.
4. Про КПД, Вы правильно заметили. Хотел бы я посмотреть на установку в 60кВт с «правильным воздушным охлаждением». Боятся, водяного охлаждения не следует, ведь так и так, воду придется подводить для охлаждения индуктора. Системы отвода тепла водой просты в изготовлении, и очень компактны. К тому же, Вы, наверное, не собирались, делать, 10кВт бытовой вариант, для закалки кухонных ножей. В цеховых условиях, обдувать силовой генератор, токопроводящей пылью… А так вообще-то до 2…3кВт.

[IgorRadvogin]

Зная, ток индуктора, сопротивление меди, толщину скин-слоя для данной частоты генератора, теплоемкость меди и теплоту ее плаления, легко вычислить, что без воды на мощности установки 10кВт индуктор расплавится примерно за 10 сек

[IgorRadvogin]

Мы генераторы делаем без водяного охлаждения, причем вентиляторы включаются при повышении температуры радиатора, а не все время. Больше 60 кВт нужна вода для радиаторов

[fir]

Зная, ток индуктора, сопротивление меди, толщину скин-слоя для данной частоты генератора, теплоемкость меди и теплоту ее плаления, легко вычислить, что без воды на мощности установки 10кВт индуктор расплавится примерно за 10 сек

Тут, по-моему, ни кто, не предлагал запускать индуктор без воды.

Мы  генераторы делаем без водяного охлаждения, причем вентиляторы включаются при повышении температуры радиатора, а не все время. Больше 60 кВт нужна вода для радиаторов

Возьмем гипотетический случай: генератор - 50кВт, КПД – 95%. Много, Вы, видели радиаторов способных рассеять, при естественной конвенции, 2 500Вт. Когда включатся вентиляторы, будет уже поздно. Да собственно вопрос, не в этом, а в целесообразности применять воздушное охлаждение в установках, к которым уже подводится вода. Выше, писал «2…3кВт», не потому что больше нельзя, а потому, что системы воздушного охлаждения начинают «распухать» и по габаритам и по стоимости. Да и сектор рынка у этих установок – не цеховой, т.е. эксплуатируются в относительно чистых помещениях. Собственно, производители ТВЧ установок, используют, силовые модули, а не дискретные IGBT/MOSFET приборы, в первую очередь из-за герметичности, данной сборки. Даже, не незаметное, на глаз, загрязнение, приводит к образованию облака плазмы и тогда все – прощай генератор.

[karabas]

Мы  генераторы делаем без водяного охлаждения, причем вентиляторы включаются при повышении температуры радиатора, а не все время. Больше 60 кВт нужна вода для радиаторов

А делает ли кто в России преобразователи для установок сквозного индукционного нагрева труб со следующими параметрами: входное напряжение 3х380 в, 50 Гц; выходная частота - 500 - 2500 Гц, выходная мощность 0 - 300 кВт; тип нагрузки - параллельный колебательный контур (параметры зависят от типа трубы и ее положения в пространстве относительно индуктора). Какова примерная стоимость таких инверторов? Как вы думаете, есть ли смысл заниматься разработкой с "нуля", если требуется изготовление таких устройств в количестве от 50 до 100 шт?

[IgorRadvogin]

У нас установки до 100кВт (пока), примерная стоимость 500 долларов за кВт, то есть 10 кВт будет стоить 5000 долларов, 100 кВт 50 000 доларов
Можете попробовать найти дешевле, если получится.

[karabas]

А на какой элементной базе у вас сделана силовая часть? Семикрон недавно стал выпускать модули "SEMIKUBE " по цене примерно 50$/квт с мощностями от 200 до 900 квт + воздушное охлаждение. Вы ничего полохого/хорошего не можете сказать про них?

[IgorRadvogin]

Тоже используем Семикрон. По соотношению цена /качества идеальный вариант

[Firer]

А посмотри в сторону преобразователей для 3-фазных двигателей, наверняка похоже.

[Ostver]

А посмотри в сторону преобразователей для 3-фазных двигателей, наверняка похоже.

Существенно не похожи, это разные устройства.
karabas
Обрати внимание на модули Eupec.

[Noxter]

И все же хотелось бы опять поднять старую тему. За необходимостью.... Думаю собрать сначала пробный экспонат на 100 Вт, на IFP Mosfet`ах. Хотелось бы увидить "живую" принципиальную схему.. Очень

[Omen_13]

И все же хотелось бы опять поднять старую тему. За необходимостью.... Думаю собрать сначала пробный экспонат на 100 Вт, на IFP Mosfet`ах. Хотелось бы увидить "живую" принципиальную схему.. Очень

Частоту какую желаете?

[pantelei4]

Имею вопрос по схеме замещения индуктора.
Если верить литературе ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ
И ИХ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ Составитель Бар В.И. ( в сети брал - где уже не помню)
"1. Короткий индуктор может быть уподоблен «трансформатору» с
большим рассеянием и относительно большим током холостого хода.
Нагреваемый объект является одновременно и нагрузкой «трансформатора»
и частью его магнитной системы. Полная схема замещения индуктора
подобна схеме замещения трансформатора."
Там -же схему замещения представляют как последовательное соединение Rэкв и Lэкв.
Уже тут вижу противоречие и непонятно каким образом L самого индуктора ( первички довольно малой индуктивности) отсутствует, либо пересчитана в эквивалентную последовательно нагрузке.

Кроме того мало понятно в какой зависимости находятся потери (мощность нагрева) от поля для магнитных материалов - сдаётся очень нелинейно.