Indukční pec pro tavení kovu udělej si sám.

Po mnoho let lidé taví kovy. Každý materiál má svůj vlastní bod tání, kterého lze dosáhnout pouze pomocí speciálního zařízení. První pece na tavení kovu byly poměrně velké a byly instalovány výhradně v dílnách velkých organizací. Moderní indukční pec lze dnes instalovat i do malých dílen při zřizování výroby šperků. Je malý, snadno použitelný a vysoce účinný.

Princip

Tavicí jednotka indukční pece se používá k ohřevu široké škály kovů a slitin. Klasický design se skládá z následujících prvků:

1. Vypouštěcí čerpadlo.
2. Vodou chlazený induktor.
3. Rám vyrobený z nerezové oceli nebo hliníku.
4. Kontaktní oblast.
5. Topeniště je vyrobeno ze žáruvzdorného betonu.
6. Podpěra s hydraulickým válcem a ložiskovou jednotkou.

Princip činnosti je založen na vytváření Foucaultových vířivých indukčních proudů. Takové proudy zpravidla způsobují poruchy při provozu domácích spotřebičů, ale v tomto případě se používají k ohřevu náboje na požadovanou teplotu. Téměř veškerá elektronika se během provozu začne zahřívat. Tento negativní faktor při využití elektřiny je plně využit.

Výhody zařízení

Indukční tavicí pec se začala používat relativně nedávno. Na výrobních místech jsou instalovány známé otevřené pece, vysoké pece a další typy zařízení. Taková pec pro tavení kovu má následující výhody:

1. Použití indukčního principu umožňuje vytvořit zařízení kompaktní. Proto nejsou problémy s jejich umístěním do malých prostor. Příkladem jsou vysoké pece, které lze instalovat pouze do připravených místností.
2. Výsledky studií naznačují, že účinnost je téměř 100 %.
3. Vysoká rychlost tavení. Vysoká účinnost určuje, že zahřátí kovu trvá mnohem méně času ve srovnání s jinými pecemi.
4. Při tavení v některých pecích se chemické složení kovu může změnit. Indukce zaujímá první místo z hlediska čistoty taveniny. Vytvořené Foucaultovy proudy ohřívají obrobek zevnitř, čímž eliminují možnost vstupu různých nečistot do kompozice.

Právě tato poslední výhoda určuje rozšíření indukčních pecí ve šperkařství, protože i malá koncentrace cizích nečistot může negativně ovlivnit získaný výsledek.

Doporučení pro umístění trouby

V závislosti na konstrukčních prvcích se rozlišují stojací a stolní indukční pece. Bez ohledu na to, která možnost byla vybrána, existuje několik základních pravidel pro instalaci:

1. Při provozu zařízení je vysoká zátěž elektrické sítě. Aby se vyloučila možnost zkratu v důsledku opotřebení izolace, musí být při instalaci provedeno kvalitní uzemnění.
2. Konstrukce má vodní chladicí okruh, který eliminuje možnost přehřátí hlavních prvků. Proto je nutné zajistit spolehlivý vzlínání vody.
3. Pokud instalujete stolní sporák, měli byste dbát na stabilitu použitého podstavce.
4. Pec pro tavení kovu je složité elektrické zařízení, při jehož instalaci musíte dodržovat všechna doporučení výrobce. Zvláštní pozornost je věnována parametrům napájecího zdroje, které musí odpovídat modelu zařízení.
5. Nezapomeňte, že kolem sporáku by mělo být poměrně hodně volného prostoru. Během provozu může i malá tavenina v objemu a hmotnosti náhodně vystříknout z formy. Při teplotách nad 1000 stupňů Celsia způsobí nenapravitelné škody na různých materiálech a může také způsobit požár.

Zařízení se může během provozu velmi zahřát. Proto by v blízkosti neměly být žádné hořlavé nebo výbušné látky. Navíc podle protipožárních opatření v okolí, musí být instalován protipožární štít.

Druhy zařízení

Široce se používají pouze dva typy pecí: kelímkové a kanálové. Mají podobné výhody a nevýhody, rozdíly spočívají pouze v použitém způsobu ovládání:

1. V peci kelímkového typu je nutné nakládat každou část vsázky samostatně. Princip činnosti zařízení je následující: kov je vložen do induktoru, po roztavení je vypuštěn a je vložena nová část. Zpravidla se takový model kupuje pro malé dílny, když se pracuje s malým množstvím surovin.
2. Kanálové se liší tím, že umožňují kontinuální tavení kovu. Konstrukce umožňuje naložení nové části kovu a vypuštění již roztaveného kovu během provozu. Jedinou nevýhodou je, že problémy vznikají při vypouštění, protože odtokový kanál musí být naplněn.

Nejoblíbenějším typem indukční pece je kelímkový typ. To je způsobeno jejich vysokým výkonem a snadnou obsluhou. Navíc, pokud je to nutné, může být takový design vyroben nezávisle.

Domácí verze jsou docela běžné. K jejich vytvoření potřebujete:

1. Generátor.
2. Kelímek.
3. Induktor.

Zkušený elektrikář může v případě potřeby vyrobit induktor vlastníma rukama. Tento konstrukční prvek je reprezentován vinutím měděného drátu. Kelímek lze zakoupit v obchodě, ale jako generátor se používá obvod lampy, samostatně sestavená baterie tranzistorů nebo svařovací invertor.

Použití svařovacího invertoru

Indukční pec pro tavení kovu vlastníma rukama lze vytvořit pomocí svařovacího invertoru jako generátoru. Tato možnost je nejpoužívanější protože vynaložené úsilí se týká pouze výroby induktoru:

1. Jako hlavní materiál je použita tenkostěnná měděná trubka. Doporučený průměr je 8-10 cm.
2. Trubka se ohýbá podle požadovaného vzoru, který závisí na vlastnostech použitého pouzdra.
3. Mezi závity by neměla být vzdálenost větší než 8 mm.
4. Induktor je umístěn v textolitovém nebo grafitovém pouzdře.

Po vytvoření induktoru a jeho umístění do pouzdra zbývá pouze nainstalovat zakoupený kelímek na jeho místo.

Aplikace tranzistorů

Takový obvod je poměrně složitý na implementaci a zahrnuje použití rezistorů, několika diod, tranzistorů různých kapacit, filmového kondenzátoru, měděného drátu se dvěma různými průměry a indukčních kroužků. Doporučení pro montáž jsou následující:

1. Při použití příslušného schématu se struktura velmi zahřeje. Proto by mělo být použito účinné chlazení.
2. Zakoupené kondenzátory jsou sestaveny do jednoho obvodu a tvoří baterii.
3. Jako základ pro induktor se používají škrticí kroužky. Na ně se navíjí dříve zakoupená měděná trubička o průměru asi 1 mm. Počet otáček určuje, jak výkonný bude domácí sporák. Doporučený rozsah je od 7 do 15 otáček.
4. Druhá měděná trubička je navinuta kolem válcového předmětu, jehož průměr by měl být asi 2 mm. Stojí za zvážení, že konce této trubice by měly být ponechány velké, protože budou použity pro připojení ke zdroji energie.
5. Jako zdroj energie lze použít 12V baterii.

Vytvořený obvod je umístěn v textolitovém nebo grafitovém pouzdře, což jsou dielektrika. Systém, zahrnující použití tranzistorů, poměrně obtížně realizovatelné. Proto byste se měli pustit do výroby takového sporáku, pouze pokud máte určité pracovní dovednosti.

Lampová kamna

V poslední době se kamna na bázi lampy vytvářejí stále méně často, protože vyžadují pečlivé zacházení. Použitý obvod je oproti případu použití tranzistorů jednodušší. Montáž lze provést v několika fázích:

1. Jako generátor proudu jsou použity 4 paprskové lampy, které jsou zapojeny paralelně.
2. Použitý měděný drát musí být zapojen do spirály. Vytvořené závitky musí mít průměr 8 až 16 cm, přičemž vzdálenost mezi nimi musí být alespoň 5 milimetrů. Stojí za zvážení, že budete potřebovat poměrně velké množství drátu, protože kelímek se musí vejít do závitů.
3. Vytvořená spirála je umístěna v pouzdře z materiálu, který nevede elektrický proud.
4. Účinnost obvodu lze zvýšit dodatečným připojením trimrového kondenzátoru.

Použité lamy musí být chráněny před mechanickými nárazy.

Chlazení zařízení

Při vytváření indukční pece s vlastními rukama vzniká největší problém s chlazením. Důvodem jsou následující body:

1. Během provozu se zahřívá nejen roztavený kov, ale také některé prvky zařízení. Proto je pro dlouhodobý provoz nutné účinné chlazení.
2. Metoda založená na využití proudění vzduchu se vyznačuje nízkou účinností. Kromě toho se nedoporučuje instalovat ventilátory v blízkosti kamen. To je způsobeno skutečností, že kovové prvky mohou ovlivňovat generované vířivé proudy.

Obvykle se chlazení provádí přívodem vody. Vytvoření okruhu vodního chlazení doma je nejen obtížné, ale také ekonomicky nerentabilní. Průmyslové verze pece již mají vestavěný okruh, na který stačí připojit studenou vodu.

Bezpečnostní opatření

Při použití indukční pece je třeba dodržovat určitá bezpečnostní opatření. Hlavní doporučení:

1. Zahřátý kov může mít velmi vysokou teplotu. I jedna kapka rozpuštěné vody na kůži může způsobit vážné zranění. Proto byste měli být při práci opatrní a používat ochranný oděv.
2. Výrobci průmyslových zařízení uvádějí ve svých technických listech poměrně mnoho různých parametrů, mezi nimiž si všímáme poloměru vlivu elektromagnetického pole. Stojí za zvážení, že elektronika, která spadá do tohoto okruhu, nemusí fungovat správně, a pokud je ponechána po dlouhou dobu, může dokonce selhat.
3. Při výběru ochranného oděvu by měla být dána přednost variantě bez kovových prvků.

Při instalaci zařízení byste měli zvážit, jak bude náplň zatížena a roztavený kov bude extrahován. Pro instalaci indukční pece se doporučuje vyčlenit samostatnou připravenou místnost.

Nyní se naučíme, jak vyrobit DIY indukční ohřívač, který lze použít pro různé projekty nebo jen tak pro zábavu. Ocel, hliník nebo měď můžete okamžitě roztavit. Můžete jej použít pro pájení, tavení a kování kovů. K odlévání můžete použít i domácí indukční ohřívač.

Můj tutoriál pokrývá teorii, komponenty a montáž některých kritických komponent.

Pokyny jsou dlouhé a pokrývají základní kroky, abyste získali představu o tom, co do takového projektu patří a jak jej navrhnout, aniž by to způsobilo výbuch.

Pro pec jsem postavil velmi přesný, levný kryogenní digitální teploměr. Mimochodem, v testech s kapalným dusíkem si vedl dobře proti značkovým teploměrům.

Krok 1: Komponenty

Hlavními součástmi vysokofrekvenčního indukčního ohřívače pro ohřev kovu elektřinou jsou invertor, budič, připojovací transformátor a oscilační obvod RLC. Diagram uvidíte o něco později. Začněme s invertorem. Je to elektrické zařízení, které mění stejnosměrný proud na střídavý. Pro výkonný modul musí fungovat stabilně. Nahoře je ochrana, která se používá k ochraně pohonu brány MOSFET před jakýmkoli náhodným poklesem napětí. Náhodné změny způsobují šum, který vede k přepínání na vysoké frekvence. To vede k přehřátí a selhání MOSFET.

Vedení vysokého proudu jsou na spodní straně desky plošných spojů. Používá se mnoho vrstev mědi, které jim umožňují přenášet proud více než 50 A. Nepotřebujeme přehřívání. Všimněte si také velkých hliníkových vodou chlazených radiátorů na obou stranách. To je nezbytné pro rozptýlení tepla generovaného MOSFETy.

Původně jsem používal ventilátory, ale pro zvládnutí výkonu jsem nainstaloval malá vodní čerpadla, která cirkulují vodu přes hliníkové chladiče. Dokud je voda čistá, trubky nevedou proud. Mám také tenké slídové desky nainstalované pod MOSFETy, aby bylo zajištěno, že neprochází kanalizací.

Krok 2: Obvod invertoru

Toto je obvod pro invertor. Okruh ve skutečnosti není tak složitý. Invertovaný a neinvertovaný budič zvyšuje nebo snižuje 15V napětí pro nastavení proměnného signálu v transformátoru (GDT). Tento transformátor izoluje čipy od mosfetů. Dioda na výstupu mosfetu omezuje špičky a rezistor minimalizuje oscilace.

Kondenzátor C1 absorbuje jakékoli projevy stejnosměrného proudu. V ideálním případě chcete nejrychlejší poklesy napětí v okruhu, protože snižují zahřívání. Rezistor je zpomaluje, což se zdá neintuitivní. Pokud však signál přetrvává, skončíte s přetížením a oscilacemi, které zničí mosfety. Více informací lze získat ze schématu klapky.

Diody D3 a D4 pomáhají chránit MOSFETy před zpětnými proudy. C1 a C2 poskytují otevřené cesty pro tok proudu během přepínání. T2 je proudový transformátor, díky kterému budič, o kterém si povíme později, přijímá zpětný signál z výstupního proudu.

Krok 3: Ovladač

Tento diagram je opravdu velký. Obecně si můžete přečíst o jednoduchém měniči s nízkým výkonem. Pokud potřebujete větší výkon, potřebujete vhodný ovladač. Tento ovladač se sám zastaví na rezonanční frekvenci. Jakmile se váš kov roztaví, zůstane uzamčen na správné frekvenci bez nutnosti jakéhokoli nastavení.

Pokud jste někdy stavěli jednoduchý indukční ohřívač s čipem PLL, pravděpodobně si pamatujete na proces úpravy frekvence, aby se kov zahřál. Pozorovali jste pohyb vlny na osciloskopu a upravili jste taktovací frekvenci, abyste udrželi ideální bod. Už to nebudete muset dělat.

Tento obvod využívá mikroprocesor Arduino ke sledování fázového rozdílu mezi napětím invertoru a kapacitou kondenzátoru. Pomocí této fáze vypočítá správnou frekvenci pomocí algoritmu “C”.

Provedu vás řetězcem:

Kapacitní signál kondenzátoru je nalevo od LM6172. Jedná se o vysokorychlostní invertor, který převádí signál do krásné, čisté obdélníkové vlny. Tento signál je následně izolován pomocí optického izolátoru FOD3180. Tyto izolátory jsou klíčové!

Dále signál vstupuje do PLL přes vstup PCAin. Porovnává se se signálem na PCBin, který ovládá měnič přes VCOout. Arduino pečlivě řídí rychlost hodin PLL pomocí 1024bitového pulzně modulovaného signálu. Dvoustupňový RC filtr převádí PWM signál na jednoduché analogové napětí, které přechází do VCOin.

Jak Arduino ví, co má dělat? Kouzlo? Hádat? Žádný. Přijímá informace o fázovém rozdílu PCA a PCB z PC1out. R10 a R11 omezují napětí na 5 napětí Arduino a dvoustupňový RC filtr odstraňuje ze signálu jakýkoli šum. Potřebujeme silné a čisté signály, protože nechceme platit více peněz za drahé mosfety poté, co vybuchnou z hlučných vstupů.

Krok 4: Dáme si pauzu

Bylo to velké množství informací. Možná se sami sebe ptáte, potřebujete takové luxusní schéma? Je to na vás. Pokud chcete automatické ladění, odpověď je ano. Pokud chcete ručně upravit frekvenci, pak odpověď zní ne. Můžete vytvořit velmi jednoduchý ovladač s pouhým časovačem NE555 a použít osciloskop. Můžete to trochu vylepšit přidáním PLL (phase-zero loop)

Krok 5: LC obvod

K této části existuje několik přístupů. Pokud potřebujete výkonný ohřívač, budete potřebovat pole kondenzátorů pro řízení proudu a napětí.

Nejprve musíte určit, jakou provozní frekvenci budete používat. Vyšší frekvence mají větší kožní efekt (menší pronikání) a jsou dobré pro malé předměty. Nižší frekvence jsou lepší pro větší objekty a mají větší penetraci. Vyšší frekvence mají vyšší spínací ztráty, ale nádrží projde menší proud. Zvolil jsem frekvenci asi 70 kHz a šel jsem až na 66 kHz.

Moje pole kondenzátorů je 4,4uF a zvládne přes 300A. Moje cívka je asi 1uH. Používám také pulzní filmové kondenzátory. Jsou to axiální dráty vyrobené ze samoopravného metalizovaného polypropylenu a mají vysoké napětí, vysoký proud a vysokou frekvenci (0.22uF, 3000V). Číslo modelu 224PPA302KS.

Použil jsem dvě měděné lišty, do kterých jsem na každé straně vyvrtal odpovídající otvory. K těmto otvorům jsem kondenzátory připájel páječkou. Na každou stranu jsem pak připevnil měděné trubky pro vodní chlazení.

Nekupujte levné kondenzátory. Rozbijí se a zaplatíte více peněz, než kdybyste si koupili rovnou dobré.

Krok 6: Sestavení transformátoru

Pokud si článek pozorně přečtete, položíte si otázku: jak ovládat LC obvod? Již jsem mluvil o střídači a smyčce, aniž bych zmínil, jak jsou připojeny.

Připojení se provádí přes propojovací transformátor. Můj je od Magnetics, Inc. Číslo dílu je ZP48613TC. Adams Magnetics je také dobrou volbou pro feritové toroidy.

Ten vlevo má 2mm drát. To je dobré, pokud je váš vstupní proud nižší než 20A. Drát se přehřeje a spálí, pokud je proud vyšší. Pro vysoký výkon si musíte koupit nebo vyrobit Litz drát. Vyrobil jsem si ho sám, tkal jsem 64 nití z 0.5mm drátu. Takový drát snadno odolá proudu 50A.

Měnič, který jsem vám ukázal dříve, používá vysokonapěťový stejnosměrný proud a mění jej na proměnlivé vysoké nebo nízké napětí. Tato střídavá obdélníková vlna prochází vazebním transformátorem přes spínače mosfet a stejnosměrné vazební kondenzátory na střídači.

Prochází jím měděná trubice z kondenzátoru, což z ní dělá jednozávitové sekundární vinutí transformátoru. To zase umožňuje, aby dumpingové napětí prošlo kondenzátorem a pracovní cívkou (LC obvod).

Krok 7: Vytvoření pracovní cívky

Jedna z otázek, na kterou jsem se často ptala, byla: „Jak děláte ten zakřivený naviják? Odpověď je písek. Písek zabrání prasknutí trubky během procesu ohýbání.

Vezměte 9mm měděnou trubici chladničky a naplňte ji čistým pískem. Než to uděláte, zakryjte jeden konec páskou a po naplnění pískem zakryjte druhý. Do země zaryjte trubku vhodného průměru. Změřte délku hadice pro vaši cívku a začněte ji pomalu navíjet na trubku. Jakmile uděláte jednu zatáčku, zbytek už půjde snadno. Pokračujte v navíjení trubky, dokud nebudete mít požadovaný počet závitů (obvykle 4-6). Druhý konec musí být zarovnán s prvním. To usnadní připojení ke kondenzátoru.

Nyní odstraňte uzávěry a vezměte vzduchový kompresor, abyste vyfoukli písek. Je vhodné to udělat venku.

Vezměte prosím na vědomí, že měděná trubice slouží také k vodnímu chlazení. Tato voda cirkuluje kondenzátorem a pracovní cívkou. Pracovní cívka vytváří velké množství tepla z proudu. I když uvnitř spirály použijete keramickou izolaci (k udržení tepla), stále budete mít v pracovním prostoru extrémně vysoké teploty, které spirálu zahřejí. Začnu velkým kýblem ledové vody a po chvíli bude horká. Radím vám připravit si hodně ledu.

Krok 8: Kontrola projektu

Výše je přehled projektu 3 kW. Má jednoduchý PLL driver, invertor, vazební transformátor a nádrž.

Video demonstruje 12kW indukční kovárnu v provozu. Hlavní rozdíl je v tom, že má mikroprocesorem řízený ovladač, větší MOSFETy a chladiče. 3kW jednotka pracuje na 120VAC; jednotka o výkonu 12 kW používá 240 V.

Řeknu vám, jak vyrobit jakoukoli věc, pomocí fotografií a video pokynů krok za krokem.