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Induktionsheizer 1KW

Wir bringen Metalle zum Schmelzen dank der Zero Voltage Switching Technology (ZVS), die in diesem Projekt auf einen RLC-Resonanzkreis mit einer Leistung von 1 kW angewendet wurde. Die ZVS-Technologie ermöglicht die Regelung von Spannung durch “Soft-Switching”.

Haben Sie sich jemals gefragt, wie stark die elektromagnetischen Felder um uns herum sein können? Die Frage wäre relevant, denn ich habe viele Beispiele, die zeigen, dass wir ständig in eine Vielzahl von elektro­magnetischen Wellen eingetaucht sind, zum Beispiel aufgrund von elektrischen Verteilerkabeln, FM-Radiosendern, GSM-Mobilfunknetz, Wi-Fi in Boxen usw.

Stellen Sie einfach ein Handy neben einen Lautsprecher. Sie hören knisternde Geräusche. Oder nehmen Sie eine Neonröhre in die Hand und nähern Sie sich ihr im Dunkeln unter einer Hochspannungsleitung. Sie werden feststellen, dass die Neonröhre aufleuchtet.

Diese unsichtbaren Wellen sind für den Menschen in unserem täglichen Leben tatsächlich sehr präsent und können in einigen Fällen gefährlich. ( abhängig von der ausgestrahlten Kraft und der Entfernung von der Quelle)

Aber wie stark kann ein elektromagnetisches Feld sein? Der in vielen Küchen vorkommende Mikrowellenherd kann Lebensmittel erwärmen und Lichtbögen zwischen den Enden versehentlich eingeführter Metallgegenstände verursachen.

Aber könnte ein elektromagnetisches Feld stark genug sein, um einen elektrischen Leiter in Sekunden zum Glühen zu bringen?

Die Antwort lautet ja und das Projekt, das ich Ihnen in diesem Artikel vorstellen, zeigt dies deutlich. Es ist ein System, das drei physikalische Phänomene ausnutzt, die wir in der Schule studiert haben, zumindest im wissenschaftlichen Bereich.

Diese 3 Phänomene sind:

  • das Prinzip der magnetischen Induktion
  • das Prinzip der Wirbelströme
  • der Joule-Effekt.

Diese Projekt zeigt, wie ein elektrisch leitfähiges Material und insbesondere ferromagnetische Materialien erwärmt und möglicherweise zum Schmelzen gebracht werden können, indem eine Schaltung vom Typ „Zero Voltage Switching“ (ZVS) mit einer Leistung von 1000 W verwendet wird sogar bis zu 1500 W unter bestimmten Bedingungen.

ZVS ist die Abkürzung für “Zero Voltage Switching, eine Technik, die in elektronischen Leistungswandlern zur Steigerung des Wirkungsgrades eingesetzt wird.

Das gleiche Grundkonzept ist auch für den Betrieb von Induktionskochplatte angewendet.

Ein Induktionskochfeld besteht aus einer Spule, in der ein sehr starker oder jedenfalls zeitlich veränderlicher elektrischer Wechselstrom fließt, der ein Magnetfeld erzeugt, das proportional zu dem Strom ist.

Nach dem Faradayschen Gesetz eine Änderung des Flusses des Magnetfeldes über die Zeit erzeugt eine induzierte elektromotorische Kraft in einem elektrisch leitenden Körper.

Diese elektromotorische Kraft erzeugt induzierte elektrische Ströme, die in dem Material zirkulieren, aus dem die auf der Platte befindlichen Utensilien bestehen.

Diese induzierten Ströme werden aufgrund der charakteristischen Form, die der Strom im Inneren des Leiters annimmt, als “Wirbelströme” oder “Eddy current” bezeichnet.

Diese sind die Ursache für den Joule-Effekt, also die Erzeugung von Wärme aufgrund des daraus resultierenden Energieverlustes.

Der elektrische Schaltplan

Wenn man den elektrischen Schaltplan betrachtet, sieht man im Regelkreis eine symmetrische Struktur mit zwei Zweigen, Royer-Oszillator genannt, die die Selbstoszillation eines RLC-Blocks bei seiner Eigenresonanzfrequenz ermöglicht.

Ein Royer-Oszillator ist ein elektronischer Kippschwinger(Relaxationsoszillator), der einen Transformator mit einem sättigbaren Kern verwendet. Es wurde 1954 von George H. Royer erfunden und patentiert. Es bietet die Vorteile der Einfachheit, der geringen Anzahl von Bauteilen, der Rechteckwellenform und der einfachen Transformatorisolation.

Royers klassische Schaltung erzeugt Rechteckwellen, eine modifizierte Version durch Hinzufügen eines Kondensators wandelt sie in einen harmonischen Oszillator um und erzeugt so Sinuswellen. Beide Versionen sind vor allem in Stromrichtern weit verbreitet.

Schaltplan Induktionsheizer 1KW

Der RLC-Block besteht aus dem “L” -Teil (Induktivität) einer Spule, die üblicherweise als “Arbeitsspule” bezeichnet wird, und dem “C” -Teil (Kapazität), der üblicherweise als ” Speicherkondensator ” bezeichnet wird und für den “R” Teil (Widerstand) der durch die Bauelemente und die Anschlüsse eingebrachten Vorwiderstände.

Sobald der Oszillator mit Strom versorgt wird, tritt er in Resonanz und kann dank des hohen Stroms ein intensives Magnetfeld erzeugen.

Wenn Royers Oszillator mit Spannung versorgt wird, wird einer der beiden MOSFETs M1 oder M2 zuerst zum Leiter, obwohl die beiden Zweige symmetrisch sind, da die beiden MOSFETs nicht perfekt gleiche Eigenschaften aufweisen.

Angenommen, der Transistor M1 wird zuerst leitend, und sein Drain befindet sich auf dem Potential der Masse, wodurch die Sperrung des Transistors M2 erzwungen wird.

Dank der Rückkopplungsdiode D1, die leitend wird, wird die Ladung des Gitters von M2 jedoch schnell extrahiert. Der Resonanzkreis, der aus der Induktivität L3 und den parallelen Kondensatoren C1, C2, C3, C4, C5, C6 besteht, erzeugt am Drain von M2 eine Sinushalbwelle, die vom Wert Null zum Maximum übergeht und dann auf Null zurückkehrt .

Wenn die Halbwelle auf Null zurückkehrt, leitet die Diode D2, was die Sperrung von M1 erzwingt, und M2 beginnt zu leiten, was die Erzeugung der anderen Sinushalbwelle im Resonanzkreis verursacht.

Ab diesem Moment wiederholt sich der Zyklus mit der Resonanzfrequenz des RLC-Blocks und auf der Arbeitsspule L3 erhalten wir einen starken Sinusstrom mit einer Frequenz von ca. 100 kHz. Dieser Wert würde für Lebensmittel eine bescheidene Erwärmung erzeugen, für Stahl jedoch bereits eine merkliche Erwärmung. Die Erwärmung kann mit größerer elektrischer Leistung und damit größerer elektromagnetischer Induktion erhöht werden.

Im Oszillator arbeiten die MOSFETs gegenphasig, dh. wenn M1 leitet, M2 ist gesperrt und umgekehrt. Dies wird durch das Vorhandensein des Resonanzkreises und der Rückkopplungsdioden D1 und D2 gewährleistet.

Wenn die beiden MOSFET-Transistoren gleichzeitig leitend wären, gäbe es keine Begrenzung des Kurzschlussstroms, und daher würden die MOSFETs aufgrund des auftretenden Überstroms zerstört.

Das Schalten der MOSFETs erfolgt bei einer Spannung zwischen Drain und Source (Vds) praktisch Null, also unter der Bedingung “Zero Voltage Switching” (daher das Akronym ZVS) und damit der Die Verlustleistung beim Schalten wird minimiert und beträgt:
Pd = Vds * Id
Dabei Id ist der Drainstrom.

Darüber hinaus werden durch die ZVS-Technik die beim Schalten von MOSFETs entstehenden Hochfrequenzstörungen stark reduziert, die Schaltung stört das umgebende Medium sehr wenig.

Die MOSFETs M1 und M2 sind IRFP260N.

Das sind Schnell schaltende MOSFETs, das heißt sie schalten aus dem gesperrten Zustand in den leitend Zustand von sehr schnellund das gilt auch für integrierte Schutzdioden.

Die Dioden D1 und D2 sind MUR420 und müssen ebenfalls vom Typ Fast Switching sein, um den MOSFET rechtzeitig zu sperren. Sie müssen einen Strom von mindestens 4 A unterstützen.

Um die Gates (Gates) der beiden MOSFETs zu steuern, es gibt wir zwei Leistungswiderstände R2 und R5 mit einem Wert von 470R/ 5W eingefügt.

Um MOSFETs vor Überspannungen und Überströmen zu schützen, gibt es R3/DZ1 und R4/DZ2.

Die Induktivitäten L1 und L2 haben einen Wert von 100 μH und dienen zur Begrenzung von Spannungsspitzen während der Schaltphasen, da sonst die MOSFETs zerstört werden könnten. Die Induktivitäten sind auf Ringkerne mit einer maximalen Stromkapazität von 13 A gewickelt.

Die Kondensatoren C1, C2, C3, C4, C5, C6 sind vom Typ Polypropylen MKP, und sind um einem hohen Strom und einer hohen Resonanzspannung standzuhalten und auch Verluste zu begrenzen. Die Resonanzkapazität liegt bei etwa 2 μF. Diese Kapazität wird durch Parallelschaltung von 6 Kondensatoren mit 0,33 μF erhalten. Jeder Kondensator hat eine Betriebsspannung von 630 V.

Die Arbeitsspule, dh die Spule, in die wir das Heiz- / Schmelzobjekt einführen, besteht aus 6 Windungen, Kupferdraht 6 mm.

Induktionsheizer 1KW spule

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Bauteileliste

BauteilnummerWert
R14,7k Ω
R2470 Ω / 5W
R310 KΩ / 1%
R410 KΩ / 1%
R5 470 Ω / 5W
C1 bis C60,33 μF 630 VAC 30 mm
C7100nF (Keramik)
L1 und L2100 μH
L31,26 μH
M1 und M2IRFP260N
D1 und D2MUR420
DZ1 und DZ21N4742
LD1LED 5mm grün

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