Com dissenyar un circuit d'escalfament per inducció

L’article explica un tutorial pas a pas pel que fa al disseny del vostre propi circuit bàsic d’escalfament per inducció casolà, que també es pot utilitzar com a placa de cuina d’inducció.

Concepte bàsic d’escalfador per inducció

És possible que us hagueu trobat en línia amb molts circuits d'escalfadors d'inducció de bricolatge, però sembla que ningú no ha abordat el secret crucial que hi ha darrere de la implementació d'un disseny d'escalfadors d'inducció perfecte i reeixit. Abans de conèixer aquest secret, seria important conèixer el concepte bàsic de funcionament d’un escalfador d’inducció.

Un escalfador per inducció és en realitat una forma de transformador elèctric extremadament 'ineficient', i aquesta ineficiència es converteix en la seva principal característica avantatjosa.

Sabem que en un transformador elèctric el nucli ha de ser compatible amb la freqüència induïda i, quan hi ha una incompatibilitat entre la freqüència i el material del nucli en un transformador, resulta en la generació de calor.

Fonamentalment, un transformador amb nucli de ferro requerirà un rang de freqüència inferior entre 50 i 100Hz, i a mesura que augmenta aquesta freqüència, el nucli pot mostrar una tendència a escalfar-se proporcionalment. Això implica que, si la freqüència s'incrementa fins a un nivell molt superior, pot ser superior a 100 kHz, donaria lloc a la generació de calor extrema dins del nucli.

Sí, això és exactament el que passa amb un sistema d’escalfament per inducció, on la cuina actua com el nucli i, per tant, està formada per material de ferro. I la bobina d’inducció està sotmesa a una alta freqüència, cosa que provoca la generació d’una quantitat proporcionalment intensa de calor al recipient. Atès que la freqüència està optimitzada a un nivell significativament alt, es garanteix una calor màxima possible sobre el metall.

Ara anem a continuar i aprenem els aspectes importants que poden ser necessaris per dissenyar un circuit d'escalfament per inducció amb èxit i tècnicament correcte. Els detalls següents ho explicaran:

El que necessitaràs

Les dues coses bàsiques necessàries per construir qualsevol estrella de cuina d’inducció són:

1) Una bobina bifilar.

2) Un circuit de generador de freqüència ajustable

Ja he comentat alguns circuits d'escalfadors d'inducció en aquest lloc web, els podeu llegir a continuació:

Circuit d’escalfador d’inducció solar

Circuit d'escalfament per inducció mitjançant IGBT

Circuit d'escalfador d'inducció senzill: circuit de la cuina de plaques calentes

Petit circuit d’escalfadors d’inducció per al projecte escolar

Tots els enllaços anteriors tenen en comú les dues coses anteriors, és a dir, que tenen una bobina de treball i una etapa d’oscil·lador del controlador.

Disseny de la bobina de treball

Per dissenyar uns estris de cuina d’inducció, la bobina de treball se suposa que és de naturalesa plana, per tant ha de ser de tipus bifilar amb la seva configuració, tal com es mostra a continuació:

El disseny del tipus de bobina bifilar que es mostra més amunt es pot implementar eficaçment per fabricar els vostres estris de cuina d’inducció casolans.

Per obtenir una resposta òptima i una baixa generació de calor dins de la bobina, assegureu-vos que el filferro de la bobina bifilar es faci amb molts fils prims de coure en lloc d’un únic filferro sòlid.

Per tant, això es converteix en la bobina de treball de la cuina, ara els extrems d’aquesta bobina simplement s’han d’integrar amb un condensador que coincideixi i amb una xarxa de controladors de freqüència compatible, com es mostra a la figura següent:

Disseny del circuit de controladors ressonants de la sèrie H-Bridge

Fins ara la informació us hauria d’haver il·lustrat sobre com configurar un senzill parament d’inducció o un disseny de placa de cuina d’inducció, però la part més crítica del disseny és com fer ressonar la xarxa de condensadors de bobina (el circuit del dipòsit) al rang més òptim de manera que el circuit funciona al nivell més eficient.

Per permetre que el circuit del tanc de la bobina / condensador (circuit LC) funcioni al seu nivell de ressonància, cal que la inductància de la bobina i la capacitat del condensador s’adeqüin perfectament.

Això només pot passar quan la reactància de les dues contraparts és idèntica, és a dir, la reactància de la bobina (inductor) i del condensador són aproximadament la mateixa.

Un cop solucionat, podeu esperar que el circuit del tanc funcioni a la seva freqüència natural i que la xarxa LC arribi al punt de ressonància. Això s’anomena circuit LC perfectament sintonitzat.

D’aquesta manera es conclouen els procediments bàsics de disseny del circuit d’escalfadors d’inducció

Us podeu preguntar què és la ressonància d'un circuit LC. ?? I com es pot calcular això ràpidament per completar un disseny específic d’escalfadors d’inducció? En tractarem de manera exhaustiva a les seccions següents.

Als paràgrafs anteriors s’explicaven els secrets fonamentals que hi ha darrere del desenvolupament d’una cuina de cuina d’inducció de baix cost però eficaç, a les següents descripcions veurem com es pot implementar calculant específicament els seus paràmetres crucials com la ressonància del circuit LC sintonitzat i la dimensió correcta de el filferro de la bobina per garantir una capacitat de manipulació de corrent òptima.

Què és la ressonància en circuit LC d'escalfador per inducció

Quan el condensador d’un circuit LC sintonitzat es carrega momentàniament, el condensador intenta descarregar i bolcar la càrrega acumulada sobre la bobina, la bobina accepta la càrrega i emmagatzema la càrrega en forma de camp magnètic. Però tan bon punt el condensador s’ha descarregat durant el procés, la bobina desenvolupa una quantitat gairebé equivalent de càrrega en forma de camp magnètic i ara intenta forçar-lo de nou dins del condensador, tot i que amb una polaritat oposada.

Imatge cortesia:

Viquipèdia

El condensador torna a estar obligat a carregar-se, però aquesta vegada en la direcció oposada i, tan aviat com està completament carregat, torna a intentar buidar-se a través de la bobina, i això resulta en un repartiment de càrrega d’anada i tornada en forma de corrent oscil·lant a la xarxa LC.

La freqüència d’aquest corrent oscil·lant es converteix en la freqüència de ressonància del circuit LC sintonitzat.

Tanmateix, a causa de les pèrdues inherents, les oscil·lacions anteriors acaben esgotant-se amb el pas del temps i la freqüència, la càrrega finalitza després d'un temps.

Però si es permet que la freqüència es mantingui mitjançant una entrada de freqüència externa, sintonitzada al mateix nivell de ressonància, això podria assegurar un efecte de ressonància permanent induït a través del circuit LC.

A la freqüència de ressonància, podem esperar que l’amplitud del voltatge oscil·lant a través del circuit LC sigui al nivell màxim, donant lloc a la inducció més eficient.

Per tant, podem donar a entendre que, per implementar una ressonància perfecta dins d’una xarxa LC per a un disseny d’escalfadors d’inducció, hem d’assegurar els següents paràmetres crucials:

1) Un circuit LC sintonitzat

2) I una freqüència coincident per mantenir la ressonància del circuit LC.

Això es pot calcular mitjançant la fórmula simple següent:

F = 1 ÷ 2π x √LC

on L és a Henry i C és a Farad

Si no voleu passar les molèsties de calcular la ressonància del tanc LC de la bobina mitjançant la fórmula, una opció molt més senzilla podria ser utilitzar el programari següent:

Calculadora de freqüència de ressonància LC

O també podeu construir això Mesurador de graella per identificar i configurar la freqüència de ressonància.

Un cop identificada la freqüència de ressonància, és hora d’establir l’IC de pont complet amb aquesta freqüència de ressonància seleccionant adequadament els components de temporització Rt i Ct. Això es pot fer mitjançant proves i errors mitjançant mesures pràctiques o mitjançant la fórmula següent:

Es pot utilitzar la següent fórmula per calcular els valors de Rt / Ct:

f = 1 / 1.453 x Rt x Ct on Rt és en ohms i Ct en Farads.

Utilitzant la ressonància de sèries

El concepte d’escalfador per inducció que es discuteix en aquest post utilitza un circuit ressonant en sèrie.

Quan s’utilitza un circuit LC ressonant en sèrie, tenim un inductor (L) i un condensador (C) connectats en sèrie, tal com es mostra al diagrama següent.

La tensió total V aplicat a la sèrie LC serà la suma de la tensió a través de l’inductor L i la tensió a través del condensador C. El corrent que circula pel sistema serà igual al corrent que circula pels components L i C.

V = VL + VC

I = IL = IC

La freqüència de la tensió aplicada afecta les reactàncies de l’inductor i del condensador. A mesura que la freqüència augmenta d'un valor mínim a un valor superior, la reactància inductiva XL de l'inductor augmentarà proporcionalment, però disminuirà la XC, que és la reactància capacitiva.

Tanmateix, mentre s’incrementa la freqüència hi haurà un cas o llindar en particular quan les magnituds de la reactància inductiva i la reactància capacitiva siguin iguals. Aquesta instància serà el punt ressonant de la sèrie LC i la freqüència es pot establir com a freqüència ressonant.

Per tant, en un circuit ressonant en sèrie, la ressonància es produirà quan

XL = XC

o bé, ωL = 1 / ωC

on ω = freqüència angular.

Avaluar el valor de ω ens proporciona:

ω = ωo = 1 / √ LC, que es defineix com la freqüència angular de ressonància.

Substituint això a l'equació anterior i també convertint la freqüència angular (en radians per segon) en freqüència (Hz), finalment obtenim:

fo = ωo / 2π = 1 / 2π√ LC

fo = 1 / 2π√ LC

Càlcul de la mida del fil per a la bobina de treball de l’escalfador d’inducció

Un cop calculats els valors optimitzats de L i C per al circuit de dipòsit de l’escalfador d’inducció i avaluat la freqüència exacta compatible per al circuit de control, és hora de calcular i fixar la capacitat de maneig actual de la bobina de treball i del condensador.

Atès que el corrent implicat en un disseny d’escalfadors d’inducció podria ser substancialment gran, aquest paràmetre no es pot ignorar i s’ha d’assignar correctament al circuit LC.

L’ús de fórmules per calcular mides de filferro per a una mida de filferro d’inducció pot ser una mica difícil, especialment per als nouvinguts, i és per això que s’ha habilitat en aquest lloc un programari especial per al mateix, que qualsevol aficionat interessat pot utilitzar per dimensiona el cable de mida adequada per al vostre circuit de cuina de inducció.