Схема индуктора: Как собрать индукционный нагреватель своими руками

Содержание

Простейшая схема индукционного нагревателя своими руками

Индукционный нагреватель незаменимая вещь для кузнецов, токарей, слесарей и домашних мастеров. С его помощью всегда легко и быстро можно нагреть и даже расплавить металл, вам не нужны дорогие теплоносители, такие, как уголь и газ, достаточно подключить к прибору электричество. Происходит бесконтактный нагрев металла токами высокой частоты, по научному волнами радиочастотного диапазона. Прибор широко применяют для термообработки, закалки и гибки деталей, бесконтактной плавки, пайки и сварки, металлов. В ювелирном деле для термической обработки мелких деталей. В медицине для дезинфекции медицинского инструмента. В автосервисе слесаря нагревают заржавевшие гайки. Так же индуктор устанавливают в индукционных котлах, применяемых для отапливания жилых помещений.

На этом рисунке изображена рабочая схема индукционного нагревателя, который вы легко можете сделать своими руками.

Схема индукционного нагревателя

Устройство состоит из задающего генератора высокой частоты собранного на двух мощных полевых транзисторах. Рабочее напряжение генератора зависит от мощности установленных полевых транзисторов. С транзисторами IRFP250 устройство можно питать напряжением от 12 до 30 вольт. А если установить транзисторы IRFP260, тогда напряжение питания можно поднять от 12 до 60 вольт.

Мощность индуктора заметно возрастет, температура нагрева металла поднимется более 1000 градусов, что позволит плавить металлы. В процессе работы транзисторы будут очень сильно нагреваться, поэтому их надо установить на большие радиаторы и поставить мощный вентилятор. На холостом ходу индуктор потребляет не менее 10А, а в рабочем состоянии не менее 15А, соответственно требуется очень мощный блок питания минимум на 20А.

На этом рисунке изображена печатная плата индукционного нагревателя.

Так же вам понадобятся резисторы R1, R2 на 10К мощностью 0.25 Ватт. Резисторы R3, R4 с сопротивлением 470 Ом не менее 2 Ватт. Диоды D1, D2 ультрабыстрые UF4007 или другие аналогичные на максимальный ток до 1А. Стабилитроны VD1, VD2 мощностью не менее 5 Ватт с напряжением стабилизации 12В например 1N5349 и другие. Дроссели L1, L2 размером 27х14х11 мм желтого цвета с белой полосой я вытащил из компьютерных блоков питания. На каждый дроссель надо намотать 25 витков медного провода диаметром 1 мм желательно в лаковой изоляции, если не найдете, подойдет одножильный провод в полихлорвиниловой изоляции на скорость сильно не влияет.

Конденсаторы С1-С16 металлоплёночные 0.33 мкФ 630В, соединяются параллельно рядами 4х4, в блоке всего шестнадцать штук. С меньшим рабочим напряжением лучше не ставить, будут сильно греться. Между конденсаторами оставляйте небольшое расстояние для хорошего охлаждения потоком воздуха.

Дроссели решил приклеить силиконовым герметиком, чтобы не болтались.

Важную деталь нагревателя, индуктор я сделал из медной трубки диаметром 6 мм длинною 1 метр. Купить такую можно в любом автомагазине типа «Газовщик» и там где торгуют газо-балонным оборудованием для автомобилей. Медную трубку наматываем на кусок полипропиленовой трубы внешним диаметром 40 мм, такая труба используется в пластиковом отоплении. Делаем пять витков, расстояние между верхним краем первого витка и нижним краем пятого витка должно быть 40 мм. Концы трубы изгибаем, как на рисунке и прикрепляем к радиаторам с помощью двух клемных колодок для провода сечением 16 мм².

В процессе работы индуктор будет сильно нагреваться от раскаленной детали, что может привести к повреждению медной трубки, поэтому надо сделать охлаждение. На концы медной трубки я одел силиконовые трубки и подключил насос омывателя лобового стекла автомобиля. Насос от ВАЗ 2114 и силиконовые трубки купил в автомагазине. Получилась нормальная водяная система охлаждения.

Чтобы охлаждать радиаторы и блок конденсаторов поставил мощный вентилятор от процессора. Для питания от 12 вольт такого охлаждения вполне достаточно. Если захотите поднять напряжение от 12 до 60 вольт, чтобы получить максимальную мощность от индукционного нагревателя, поставьте более мощные радиаторы и более производительный вентилятор, например от отопителя салона ВАЗ 2107. Желательно сделать металлическую шторку оберегающую нагреваемую деталь и медный индуктор от потока нагнетаемого вентилятором холодного воздуха.

Поскольку индукционный нагреватель потребляет большой ток около 20А, все дорожки на печатной плате следует усилить медной проволокой, напаянной сверху.

А теперь самое интересное… Испытания индукционного нагревателя я проводил от двенадцати вольтового автомобильного аккумулятора. Другого источника питания способного выдавать большие токи у меня просто нет. Лезвие от канцелярского ножа нагрелось до красна за 10 секунд. А это хороший результат, если учесть, что индуктор запитан всего от двенадцати вольт!

Друзья! Если хотите собрать индукционный нагреватель своими руками. Мой вам совет… Сразу ставьте полевые транзисторы IRFP260, большие радиаторы и мощный вентилятор от отопителя салона ВАЗ 2107, для питания индуктора обязательно используйте мощный источник питания лучше всего начиная от 24В до 60В с силой тока минимум на 20А.

Радиодетали для сборки индукционного нагревателя

  • Транзисторы Т1, Т2 IRFP250 лучше IRFP260 2 шт.
  • Резисторы R1, R2 10K 0.25W 2 шт. R3, R4 470R 2W 2 шт.
  • Диоды D1, D2 ультрабыстрые UF4007 2 шт. или аналогичные
  • Стабилитроны VD1, VD2 на 12V 1W 1N5349 или аналогичные 2 шт.
  • Конденсаторы C1-C16 0.33mf 630V 16 шт.
  • Дроссели от компьютерного БП желтые с белой полосой, размер 27х14х11 мм 2 шт.
  • Колодка клемная для провода сечением 16 мм² 2 шт.
  • Провод медный в лаковой изоляции d=1 мм длина 2 метра
  • Трубка медная d=6 мм, длина 1 метр
  • Радиатор чем больше, тем лучше 2 шт.
  • Насос омывателя лобового стекла от ВАЗ 2114 1 шт.
  • Трубка силиконовая 2 метра
  • Вентилятор чем мощнее, тем лучше. Рекомендую от отопителя салона ВАЗ 2107 1 шт.

Друзья, желаю вам удачи и хорошего настроения! До встречи в новых статьях!

Рекомендую посмотреть видеоролик о том, как сделать индукционный нагреватель своими руками

Индукционные нагреватели работают по принципу “получение тока из магнетизма”. В специальной катушке генерируется переменное магнитное поле высокой мощности, которое порождает вихревые электрические токи в замкнутом проводнике.

Замкнутым проводником в индукционных плитах является металлическая посуда, которая разогревается вихревыми электрическими токами. В общем, принцип работы таких приборов не сложен, и при наличии небольших познаний в физике и электрике, собрать индукционный нагреватель своими руками не составит большого труда.

Самостоятельно могут быть изготовлены следующие приборы:

  1. Приборы для нагрева теплоносителя в котле отопления.
  2. Мини-печи для плавки металлов.
  3. Плиты для приготовления пищи.

Кроме этого большая сложность при конструировании плиты заключается в подборе материала для основания варочной поверхности, которое должно удовлетворять следующим требованиям:

  1. Идеально проводить электромагнитное излучение.
  2. Не являться токопроводящим материалом.
  3. Выдерживать высокую температурную нагрузку.

В бытовых варочных индукционных поверхностях используется дорогая керамика, при изготовлении в домашних условиях индукционной плиты, найти достойную альтернативу такому материалу – довольно сложно. Поэтому, для начала следует сконструировать что-нибудь попроще, например, индукционную печь для закалки металлов.

Инструкция по изготовлению

Чертежи

Для изготовления печи понадобятся следующие материалы и инструменты:

  • паяльник;
  • припой;
  • текстолитовая плата.
  • мини-дрель.
  • радиоэлементы.
  • термопаста.
  • химические реагенты для травления платы.

Дополнительные материалы и их особенности:

  1. Для изготовления катушки, которая будет излучать необходимое для нагрева переменное магнитное поле, необходимо приготовить отрезок медной трубки диаметром 8 мм, и длиной 800 мм.
  2. Мощные силовые транзисторы являются самой дорогой частью самодельной индукционной установки. Для монтажа схемы частотного генератора необходимо приготовить 2 таких элемента. Для этих целей подойдут транзисторы марок: IRFP-150; IRFP-260; IRFP-460. При изготовлении схемы используются 2 одинаковых из перечисленных полевых транзисторов.
  3. Для изготовления колебательно контура понадобятся керамические конденсаторы ёмкостью 0,1 mF и рабочим напряжением 1600 В. Для того, чтобы в катушке образовался переменный ток высокой мощности, потребуется 7 таких конденсаторов.
  4. При работе такого индукционного прибора, полевые транзисторы будут сильно разогреваться и если к ним не будут присоединены радиаторы из алюминиевого сплава, то уже через несколько секунд работы на максимальной мощности, данные элементы выйдут из строя. Ставить транзисторы на теплоотводы следует через тонкий слой термопасты, иначе эффективность такого охлаждения будет минимальна.
  5. Диоды, которые используются в индукционном нагревателе, обязательно должны быть ультрабыстрого действия. Наиболее подходящими для данной схемы, диоды: MUR-460; UF-4007; HER – 307.
  6. Резисторы, которые используются в схеме 3: 10 кОм мощностью 0,25 Вт – 2 шт. и 440 Ом мощностью – 2 Вт. Стабилитроны: 2 шт. с рабочим напряжением 15 В. Мощность стабилитронов должна составлять не менее 2 Вт. Дроссель для подсоединения к силовым выводам катушки используется с индукцией.
  7. Для питания всего устройства понадобится блок питания мощностью до 500. Вт. и напряжением 12 – 40 В. Запитать данное устройство можно от автомобильного аккумулятора, но получить наивысшие показания мощности при таком напряжении не получится.

Сам процесс изготовления электронного генератора и катушки занимает немного времени и осуществляется в такой последовательности:

  1. Из медной трубы делается спираль диаметром 4 см. Для изготовления спирали следует медную трубку накрутить на стержень с ровной поверхностью диаметром 4 см. Спираль должна иметь 7 витков, которые не должны соприкасаться. На 2 конца трубки припаиваются крепёжные кольца для подключения к радиаторам транзистора.
  2. Печатная плата изготавливается по схеме. Если есть возможность поставить полипропиленовые конденсаторы, то благодаря тому, что такие элементы обладают минимальными потерями и устойчивой работой при больших амплитудах колебания напряжений, устройство будет работать намного стабильнее. Конденсаторы в схеме устанавливаются параллельно образуя с медной катушкой колебательный контур.
  3. Нагрев металла происходит внутри катушки, после того как схема будет подключена к блоку питания или аккумулятору. При нагреве металла необходимо следить за тем, чтобы не было короткого замыкания обмоток пружины. Если коснуться нагреваемым металлом 2 витка катушки одновременно, то транзисторы выходят из строя моментально.

Нюансы

  1. При проведении опытов по нагреву и закалке металлов, внутри индукционной спирали температура может быть значительна и составляет 100 градусов Цельсия. Этот теплонагревательный эффект можно использовать для нагрева воды для бытовых нужд или для отопления дома.
  2. Схема нагревателя рассмотренного выше (рисунок 3), при максимальной нагрузке способна обеспечить излучение магнитной энергии внутри катушки равное 500 Вт. Такой мощности недостаточно для нагрева большого объёма воды, а сооружение индукционной катушки высокой мощности потребует изготовление схемы, в которой необходимо будет использовать очень дорогие радиоэлементы.
  3. Бюджетным решением организации индукционного нагрева жидкости, является использование нескольких устройств описанных выше, расположенных последовательно. При этом, спирали должны находиться на одной линии и не иметь общего металлического проводника.
  4. В качестве теплообменникаиспользуется труба из нержавеющей стали диаметром 20 мм. На трубу «нанизываются» несколько индукционных спиралей, таким образом, чтобы теплообменник оказался в середине спирали и не соприкасался с её витками. При одновременном включении 4 таких устройств, мощность нагрева будет составлять порядка 2 Квт, что уже достаточно для проточного нагрева жидкости при небольшой циркуляции воды, до значений позволяющих использовать данную конструкцию в снабжении тёплой водой небольшого дома.
  5. Если соединить такой нагревательный элемент с хорошо изолированным баком, который будет расположен выше нагревателя, то в результате получится бойлерная система, в которой нагрев жидкости будет осуществляться внутри нержавеющей трубы, нагретая вода будет подниматься вверх, а её место будет занимать более холодная жидкость.
  6. Если площадь дома значительна, то количество индукционных спиралей может быть увеличено до 10 штук.
  7. Мощность такого котла можно легко регулировать путём отключения или включения спиралей. Чем больше одновременно включённых секций, тем больше будет мощность работающего таким образом отопительного устройства.
  8. Для питания такого модуля понадобится мощный блок питания. Если есть в наличии инверторный сварочный аппарат постоянного тока, то из него можно изготовить преобразователь напряжения необходимой мощности.
  9. Благодаря тому, что система работает на постоянном электрическом токе, который не превышает 40 В, эксплуатация такого устройства относительно безопасна, главное обеспечить в схеме питания генератора блок предохранителей, которые в случае короткого замыкания обесточат систему, там самым исключив возможность возникновения пожара.
  10. Можно таким образом организовать “бесплатное” отопление дома, при условии установки для питания индукционных устройств аккумуляторных батарей, зарядка которых будет осуществляться за счёт энергии солнца и ветра.
  11. Аккумуляторы следует объединить в секции по 2 шт., подключённые последовательно. В результате, напряжение питания при таком подключении будет не менее 24 В., что обеспечит работу котла на высокой мощности. Кроме этого, последовательное подключение позволит снизить силу тока в цепи и увеличить срок эксплуатации аккумуляторов.

Блиц-советы

  1. Эксплуатация самодельных устройств индукционного нагрева, не всегда позволяет исключить распространение вредного для человека электромагнитного излучения, поэтому индукционный котёл следует устанавливать в нежилом помещении и экранировать оцинкованной сталью.
  2. Обязательно при работе с электричествомследует соблюдать правила техники безопасности, особенно это касается сетей переменного тока напряжением 220 В.
  3. В качестве экспериментаможно изготовить варочную поверхность для приготовления пищи по схеме указанной в статье, но эксплуатировать данный прибор постоянно не рекомендуется по причине несовершенства самостоятельного изготовления экранирования данного устройства, из-за этого возможно воздействие на организм человека вредного электромагнитного излучения, способного негативно сказаться на здоровье.

Добрый день. Ну и хватит о добром. Начитавшись и насмотревшись на всем известный индукционный генератор по схеме ZVC драйвера, решил сделать нечто похожее для закалки небольших металлических предметов, в гаражную автомастерскую и для плавки свинца на грузила. Схема стандартная, обычный высокочастотный мультивибратор, который повторили уже сотни человек.

Схема ZVC драйвера

Стандартный вариант генератора

Усиленный вариант схемы

Но видно мне войти в их число не судьба.

Были куплены все необходимые детали – новые полевые транзисторы, новые фаст диоды и стабилитроны. Всё перед пайкой было испытано на транзистор-тестере, в том числе для определения правильной цоколёвки.

Была собрана шикарная катушка из чистой меди диаметром 5 мм. Но работать сей девайс упорно отказывался.

Подозрение пало на дросселя, которые большинство радиолюбителей рекомендует мотать на желтых порошковых кольцах от БП АТХ.

Добыча искомых и установка также оказалась безрезультативной – индукционный нагреватель металлов как не работал раньше, так и не собирался работать дальше. Подключение различных вариантов катушек совместно с конденсаторами разной емкости картину не изменили – "открывает рыба рот, но не слышно что поёт", то есть транзисторы открываются, ток тянут, а генерации не происходит.

В конце концов всё это изрядно надоело, многодневные танцы с бубном закончились, и пришлось с поклоном идти к китайцам на ихний Алиэкспресс, заказывать за 7 долларов готовый модуль генератора.

Спустя 2 недели эта штука была доставлена курьером прямо на дом и после подключения к компьютерному блоку питания на 12 В успешно заработала.

Причём она работала и от 5-ти вольт, и с маленькой штатной катушкой, и с большой самодельной, в общем генерировала мощное электромагнитное поле во всех позах (с теми же деталями и схемой). Раскаляет 3 мм штырь до красна за 20 секунд. С железкой 6 мм возится несколько минут, при этом жутко греется само (в основном транзисторы и катушка).

На что тут грешить – даже не знаю. Может конденсаторы не те, может транзисторы. В любом случае факт остается фактом: промышленная плата заработала, а самодельная нет. Так что кто хочет – может смело кинуть в меня куском канифоли, другие – посочувствовать, третьи сами попробовать собрать этот индукционник и написать в комментариях о результатах.

Как сделать простейший индукционный вихревой нагреватель своими руками — устройство и схема

Индукционный нагреватель, или индуктор, — прибор, который создает электромагнитное поле, нагревающее проводник, помещенный в это поле. Говоря простыми словами, это катушка, обрамленная медной проволокой. В основном индукторы используют с целью вырабатывания тепловой энергии за счет электрической без использования теплоэлектронагревателей.

Содержание материала

Принцип работы

Переменный ток проходит по обмотке катушки, образуя вокруг не магнитное поле. При введении в центр, внутрь витков, металлического предмета изменяется сила магнитного поля. Из-за этого и нагревается сам предмет, именуемый сердечником. Для того чтобы металл нагревался, катушка обязательно должна питаться переменным током большой частоты, иначе можно получить обычный электромагнит.

Существует два вида индукционных нагревателей:

  • индукторы, при изготовлении которых пользуются различными электронными деталями;
  • вихревой (ВИН) индуктор, им пользуются для обогрева дома, нагрева воды.

ВИН чаще всего встречается в повседневной жизни, так как его достаточно просто изготовить самостоятельно без особых затрат. Он работает на основе передачи энергии, преобразуемой в тепло, от магнитного поля к объекту, например, воде.

Как сделать в домашних условиях

Схема устройства довольно проста, так что самому можно без проблем сделать индукционный нагреватель.

Индуктор можно выполнить на любой базе, но нельзя забывать о теплоизоляции, без которой коэффициент полезного действия систем довольно сильно упадет.

Также нужно серьезно подойти к изготовлению самого важного элемента – катушки. Медную проволоку лучше наматывать очень аккуратно.

С использованием трансформатора

Базовым элементом данной схемы будет сам трансформатор, на котором уже содержатся первичная и вторичная обмотки. Электромагнитное индукционное поле, сформированное в первичной обмотке, начнет влиять на вторичную обмотку. Так, вторичная обмотка передаст энергию в виде тепла тому объекту, который требуется нагреть.

Инструкция выполнения:

  1. две трубки, отличающиеся размерами, соединить друг с другом с помощью сварки;
  2. на внешнюю трубку наложить 90-100 витков с одинаковым расстоянием между ними.

С инвертором

Основной составной частью этой системы станет высокочастотный сварочный инвертор, где уже есть индуктор, нагревательный элемент и генератор переменного тока.

Устройство генерирует высокочастотный ток, который передается на катушку. Она, в свою очередь, и создает магнитное поле, изменяющееся со временем. Его вихревой ток нагревает металлическую часть, которая и передает энергию нужному объекту.

Инструкция создания:

  1. в полимерную трубу поместить металл;
  2. на трубку наносятся сто витков проволоки из меди таким образом, чтобы не осталось большое пространство.

Таким образом, дома можно изготовить индукционный нагреватель без особых затрат и глубоких знаний физики. Главное, не забывать о безопасности.

Поделитесь материалом с друзьями в социальных сетях

Простой индукционный нагреватель своими руками

Приветствую, радиолюбители-самоделкины!

Сейчас на кухнях довольно часто можно встретить новый тип варочных плит - индукционные. В отличие от газовых и простых электрических, в них не нагревается конфорка, не горит с высокой температурой газ, ведь электрическая энергия в таких плитах поступает "напрямую" к разогреваемой посуде, не нагревая ненужные посторонние части плиты. Работает это следующим образом - специальный индуктор создаёт в толще металла посуды сильные вихревые токи, которые и разогревают металл. Помимо кухонных плит, такая технология используется в разных областях промышленности для нагрева и плавки металла. Возможно, на первый взгляд индукционный нагрев выглядит сложно и очень труднореализуемо в домашних условиях, но на самом деле, схема простого индукционного нагревателя не содержит дорогих либо редких деталей, собрать её под силу каждому радиолюбителю. Мощность такой схемы достаточна для того, чтобы раскалить до красна небольшие металлический предметы - лезвия канцелярского ножа, отвёртки, гвозди.



На самом деле, данная схема является довольно универсальной, на её основе также строят различные высоковольтные генераторы и прочие устройства, где требуется генерация высокочастотных импульсов. В интернете эту схему можно найти по названию "ZVS-драйвер". Рассмотрим более подробно все элементы схемы, определим возможные замены и отметим некоторые нюансы. Напряжение питания на схеме указано 12 В - это минимальное напряжение, которым можно питать данную схему. Максимальная граница напряжения питания зависит от мощности выбранных транзисторов и может составлять 50В. Чем больше напряжение питания, тем, соответственно, больше будет мощность индукционного нагревателя, тем быстрее он будет разогревать металл. Данная схема, особенно при разогреве массивных предметов, потребляет большой ток (до 10А), поэтому важно обеспечить её питание от источника соответствующей мощности. Неплохо для этого подойдут, например, блок питания компьютера или ноутбука, имеющие на выходе напряжения 12 и 19Вт соответственно.

Резисторы номиналами 220 Ом должны быть рассчитаны на мощность как минимум в 1 ватт, иначе возможен их чрезмерный нагрев. После этих резисторов на схеме можно увидеть стабилитроны, имеющими маркировку на схеме "15 v". Здесь можно применить любые стабилитроны на напряжение стабилизации в пределах от 12 до 15В, они нужны для того, чтобы на затворы полевых транзисторов не попало высокое напряжение (более 20В на затворе будет смертельным для полевого транзистора). Также на схеме можно увидеть диоды VD3 и VD4, подключенные к затворам транзисторов - в качестве них можно применить практически любые быстродействующие (обозначаются как ultra fast) диоды, например, UV4007, HER102, FR103. Особое внимание стоит уделить выбору транзисторов для данной схемы. На малой мощности с низким напряжением питания будут без проблем работать практически любые полевые транзисторы из ряда IRFZ44, IRF3205, 50N06 и им подобные по характеристикам. Но при использовании индукционного нагревателя при напряжении питания выше 12В рекомендуется поставить более мощные транзисторы, например IRFP250, IRFP260 либо им аналогичные. Ключевыми параметрами для транзисторов здесь будут максимальное напряжения сток-исток и максимальный ток. На схеме присутствуют дроссели L1 и L3, подключенные одним концом к плюсу питания. Можно найти готовые дроссели, рассчитанные на большой ток (как минимум 2-3А, но чем больше, тем лучше), имеющие индуктивность в диапазоне 47-200 мкГн, так и намотать дроссели самому. Для этого нужно взять кольцо из порошкового железа (оно имеет жёлтый цвет), и намотать на нём примерно 30-40 витков толстого медного провода. Найти кольца жёлтого цвета можно в компьютерных блоках питания, кроме них чуть хуже, но также подойдут обычные ферритовые кольца.

Колебательный контур C1 L2, пожалуй, самая важная часть схемы - именно эти элементы задают частоту колебания схемы. Катушка L2 - непосредственно сам индуктор, катушка большого размера из толстого медного провода, внутрь которой помещается нагреваемый предмет. Её диаметр может составлять от 1 до 5 см, в зависимости от размеров предмета, который нужно будет разогревать. Следует также учитывать, что чем больше будет размер катушки относительно размера нагреваемого объекта - тем менее эффективной будет работа данной схемы. В идеальном случае объект должен помещаться в катушку, не оставляя больших зазоров по краям, до витков. Для намотки можно использовать как изолированный медный провод, так и медные трубки либо шины. Количество витков может варьироваться в пределах от 6 до 12. Чем больше будет напряжение питания, тем большее количество витков следует выбирать.

Через конденсатор С1 в данной схеме будут протекать довольно значительные токи, а потому необходимо использовать неполярные плёночные конденсаторы и низким внутренним сопротивлением (ESR). Ёмкость С1 может варьироваться в пределах 0,68 - 1 мкФ, её можно будет подбирать для достижения наилучшей эффективности работы схемы, оценивая скорость нагрева. Для того, чтобы снизить внутреннее сопротивление С1, можно включить параллельно несколько конденсаторов - это наиболее предпочтительный вариант. Например, 6-10 конденсаторов по 0,1 мкФ каждый дадут как раз нужную ёмкость, а внутреннее сопротивление такой батареи конденсаторов будет значительно меньше, чем у одного конденсатора.

Ниже представлены осциллограммы в разных частях схемы.
На затворе транзистора:

Сток-исток транзистора:

На самой катушке индуктора:

Можно увидеть, что амплитура на катушке индуктора составляет около 70 вольт, и это при том, что напряжение питания схемы составляет всего 11В.


Преимуществом данной схемы является её простота - для сборки даже не обязательно изготавливать печатную плату. Смонтировать все элементы можно прямо на выводах индуктора, если он выполнен из жёсткого провода, то и конструкция будет обладать нужной жёсткостью и надёжностью. Батарея конденсаторов припаивается прямо на толстые выводы.

Ещё одним преимуществом данной схемы является её большой КПД - практически вся мощность, потребляемая от источника, уходит в нагрев объекта, а потому транзисторы нагреваются лишь слегка и не требуют массивных радиаторов. Тестовый запуск схемы можно проводить и вовсе без радиаторов, но для долговременной работы они обязательны. Также следует заметить, что ток потребления в этой схеме большой лишь во время нагрева - когда внутрь катушки-индуктора помещён металлический объект. На холостом же ходе схема потребляет небольшой ток, максимум несколько сотен миллиампер. Ниже представлено несколько фотографий раскалённого лезвия ножа, нагретого таким индукционным нагревателем. Удачной сборки!



Источник (Source) Становитесь автором сайта, публикуйте собственные статьи, описания самоделок с оплатой за текст. Подробнее здесь.

Измерение параметров индукторов установок индукционного нагрева на режимах, близких к номинальным

Индуктор представляет собой систему из проводов, создающих высокочастотное электромагнитное поле, и нагреваемого проводящего материала. Следует отметить нелинейность этой системы, определяемую различным поведением нагреваемого материала в полях с различными напряженностями и частотами. Этим определяется нежелательность измерения параметров системы «индуктор — проводящий материал» при напряжениях и токах, протекающих в индукторе и существенно отличающихся от тех, которые характеризуют систему в номинальном режиме работы.

Известны способы и устройства для измерения добротности Q индукторов [1, 2]. В данных устройствах измерение Q производится на малых токах, что в ряде случаев может привести к погрешностям, необходимости пересчета полученных параметров или увеличению объема экспериментальных работ при согласовании источника питания с индукторами для индукционного нагрева. Рассмотрим разряд конденсатора C на упрощенную эквивалентную последовательную схему замещения индуктора, состоящую из активного сопротивления R и индуктивности L (рис. 1). Коммутация в схеме производится идеальным ключом K.

Рис. 1. Схема разряда конденсатора на эквивалентную последовательную схему замещения индуктора

Будем считать, что сопротивление R состоит из трех сопротивлений

Rинд=R1+R2 (1)

где R1 — сопротивление индуктора, учитывающее потери в меди; R2 — приведенное суммарное сопротивление нагреваемого тела; R3 — сопротивление ключа, вносимое в контур.

Определим также сопротивление индуктора:

Общеизвестно, что ток в цепи, приведенной на рис. 1, описывается следующим выражением:

где U0 — напряжение, до которого заряжен конденсатор в момент замыкания ключа;

Мгновенное значение кривой тока (2) приведено на рис. 2.

Рис. 2. Мгновенное значение кривой тока в схеме для измерения параметров индуктора для индукционного нагрева

Определим декремент затухания

Из (3), логарифмируя и преобразуя, получим:

Далее:

Отсюда:

Из (5) получим:

Считая C известным, из (6) получим Li:

Из (7) и (4) получим Ri:

Таким образом, для схемы, приведенной на рис. 1, по осциллограмме (рис. 2) определяется значение Ti и соответствующий этому значению декремент затухания Δi, а затем по формулам (7) и (8) вычисляются значения Li и Ri. Если имеется возможность вычисления по осциллограмме нескольких значений Ti и Д;, то для каждой из этих пар вычисляются Li, Ri, после чего L и R вычисляются как среднее значение соответствующих Li и Ri.

На рис. 3 приведен упрощенный вариант принципиальной схемы экспериментальной установки индукционного нагрева(не показана система заряда емкости С).

Рис. 3. Упрошенный вариант принципиальной схемы экспериментальной установки индукционного нагрева

В данной схеме ключ K (рис. 1) заменен встречно-параллельно включенными тиристорами VS1, VS2, отпирающие сигналы на которые подаются от системы управления. Емкость С заменена емкостями С1, С2, С3 (количество емкостей показано условно), которые подключаются к схеме через ключи К1, К2, К3, позволяющие вручную менять величину разрядной емкости. Токовый сигнал снимается с помощью датчика тока, в качестве которого может быть использован низкоомный безындуктивный шунт или трансформатор тока, выполненный на ферритовом кольце. Кривая тока фиксируется с помощью осциллографа с памятью. Лучше всего использовать осциллограф, позволяющий осуществлять цифровую обработку зафиксированной кривой.

Проиллюстрируем процесс измерения параметров индуктора на модели, построенной в среде OrCAD 9.2 (рис. 4).

Рис. 4. Схема модели, иллюстрирующая определение параметров индуктора

Здесь применены тиристоры ТБ143-630-14, описываемые следующей моделью [3]:

.subckt TB143-630-14    anode gate cathode

* «Typical» parameters

X1 anode gate cathode Scr params:

+Vdrm=1500v Vrrm=1500v Ih=500ma Vtm=2.0v Itm=1980

+dvdt=1e9 Igt=320ma Vgt=2.5v Ton=3.2u Toff=32us

+Idrm=70ma

* 01-6-4 Kurai.

ends

Управление тиристорами осуществляется с помощью источников постоянного напряжения VDC, емкость С1 заряжена до напряжения 310 В (начальные условия). Параметры элементов приведены на рис. 4.

Результаты моделирования приведены на рис. 5.

На нижней осциллограмме приведена кривая тока через индуктор, а на верхней — сопротивление тиристоров VS1, VS2, полученное как частное от деления напряжения на тиристорах V(C1:2, VS1:Cathode) на ток I(R1). Обозначим его RT.

В соответствии с обозначениями, приведенными на рис. 2, и по осциллограммам, приведенным на рис. 5, заполним таблицу 1.

Рис. 5. Осциллограммы сопротивлений тиристоров и тока через индуктор, полученные на модели

В таблице 1 в столбце I приведены i-е значения амплитуд токов (см. рис. 2), в столбце t — время в микросекундах ti, соответствующее i-му значению амплитуды тока, в столбце T — разница между ti+2 и ti, в столбце Δ — отношение Ii к Ii+2, в столбце RT — сопротивление тиристора в момент времени, соответствующий Ii, в столбце L — значение индуктивности индуктора Li, вычисленное по формуле (7), в столбце R — суммарное сопротивление Ri, вычисленное по формуле (8), в столбце RTC — среднее значение i-го и i+2-го сопротивлений тиристора, в столбце Rинд — сопротивление индуктора, равное разности между Ri и RТСi.

По табличным данным, средние значения вычисленных индуктивности и сопротивления составляют L = 99,996 мкГн, Rинд = 0,08096 Ом. Очевидно, что приведенный пример является нереальным, поскольку такая точность измерения на экспериментальной установке невозможна. Пример приведен для иллюстрации достоверности алгоритма вычисления.

Примем, что точность снятия информации с осциллографа— 10%. По таблице 1 с учетом случайного разброса параметров Ii и ti, исходя из предельно допустимого отклонения в 10%, построена таблица 2.

Средние значения полученных по таблице 2 значений индуктивности и сопротивления индуктора составляют L = 99,11 мкГн и Rинд = 0,0801 Ом. Для получения значений сопротивления R1, учитывающего потери в меди, необходимо провести вышеописанный эксперимент для индуктора, из которого удалено нагреваемое тело.

Некоторые соображения по зависимости изменения L, R1 и R2 от частоты и материала нагреваемого тела приведены в известной книге [1].

Для измерения параметров индуктора для каждого типа тиристора, применяемого в качестве ключевого элемента (см. схему на рис. 3), с помощью моделирования в среде OrCAD следует получить значения сопротивлений RTi в зависимости от токов Ii.

В таблице 3 такие значения приведены для тиристора ТБ143-630-14. В случае необходимости получения значений тока между приведенными значениями Ii используется линейная интерполяция.

Таким образом, методика экспериментального определения параметров индуктора сводится к следующему:

  1. 1. Необходимо изготовить экспериментальную установку в соответствии со схемой, приведенной на рис. 3. Количество подключаемых емкостей определяется диапазоном требуемых частот и измеряемыми параметрами индуктора. Для более точного подбора величины емкости рекомендуется использовать следующий ряд емкостей: 1; 2; 4; 8; 16; 32; 64… мкФ. Применение такого ряда позволяет получать любую величину емкости с точностью до 1 мкФ. Для питания схемы необходим блок питания, обеспечивающий получение плавно изменяемого напряжения на емкости. Фиксация кривой тока через индуктор (см. рис. 2) производится с применением осциллографа с памятью. Для повышения точности желательно наличие цифровой обработки кривой.
  2. Исходными данными для эксперимента являются рабочее напряжение U индуктора и частота f. По значению напряжения U определяется напряжение U0, до которого необходимо зарядить разрядную емкость. Путем подбора величины разрядной емкости находится частота, максимально близкая к заданной.
  3. По полученной осциллограмме определяются значения Ii и ti для максимально возможного i.
  4. Для зафиксированных значений Ii по таблице 3 с использованием в случае необходимости линейной интерполяции определяются значения RT.
  5. Производится расчет L и Rинд по формулам (7) и (8).

Полученные по приведенной методике параметры индуктора могут использоваться для определения его КПД, cosφ, а последовательная схема замещения с этими параметрами может применяться при моделировании системы индукционного нагрева.

Литература
  1. Бабат Г. И. Индукционный нагрев металлов и его промышленное применение. М.: Энергия. 1965.
  2. Rudnev V., Cook R., Loveless D., Black D. Induction Heat Treatment. Basic Principles, Computation, Coil Construction, and Design Consideration. Modern Power Supplies, Load Matching, Process Control and Monitoring. New York — Basel — Hong Kong. Marcel Dekker Inc. 1997.
  3. Болотовский Ю. И., Таназлы Г. И. OrCAD. Моделирование. «Поваренная» книга. М.: Солон-Пресс. 2005.

Высоковольтное испытательное оборудование и измерения

Страница 7 из 41

К трансформаторам высокой частоты можно отнести также индуктор, электрическая схема которого приведена на рис. 1-45. Принципиальное отличие индуктора от резонансного трансформатора состоит в том, что здесь энергия запасается в магнитном поле обмотки, а не в электрическом поле конденсатора. Запасенная в магнитном поле энергия Wм, индуктивность L и ток i связаны известной зависимостью
(1-25)
Для увеличения индуктивности L1 индукторы обычно имеют незамкнутый ферромагнитный сердечник. В принципе индуктор можно выполнить без сердечника, но тогда, чтобы запасти достаточную энергию, нужно брать или большое число витков, а, следовательно, и большое число витков во вторичной обмотке, или коммутировать большие токи. Индукторы с замкнутыми сердечниками оказались неудовлетворительными потому, что в этом случае размагничивание протекало медленнее и получалось значительное остаточное намагничивание, так как отсутствовало размагничивающее действие полюсов. Незамкнутый сердечник, кроме того, дает возможность существенно упростить конструкцию обмотки высокого напряжения.

Рис. 1-45. Электрическая схема индуктора.
Рассмотрим принципы действия индуктора. Механический прерыватель периодически замыкает и размыкает емкость С1. Если через t1 обозначим время, в течение которого емкость замкнута, а через t2время, в течение которого емкость разомкнута, то время, за которое совершается рабочий цикл, составит:
а частота замыкании или размыканий

В течение каждого рабочего цикла в схеме дважды происходит переходный процесс.
Получение строгого аналитического выражения для напряжения U2 на вторичной обмотке с учетом паразитной емкости этой обмотки сопряжено с громоздкими выкладками. Мы ограничимся приближенным рассмотрением переходных процессов. Положим паразитную емкость вторичной обмотки и нагрузку отсутствующими.

На рис. 1-47 показан характер изменения напряжения на емкости С1.
Как источник высокого напряжения индуктор находит ограниченное применение. Его применяют в различных вспомогательных цепях управления и др.
На рис. 1-48 представлен эскиз индуктора на 900 кВ с подключенной к нему рентгеновской трубкой. Первичная обмотка трансформатора намотана на изолирующей трубке, внутри которой помещен сердечник 1. Вторичная обмотка 2 состоит из плоских секций, отделенных бумажными прослойками.

Рис. 1-47. График напряжения на емкости С1.
Обе обмотки помещены в изолирующий герколитовый сосуд 3, наполненный трансформаторным маслом.

Рис. 1-48. Схема устройства индуктора на 900 кВ.
Алюминиевый электрод 4 на конце обмотки высокого напряжения задает более равномерное распределение напряжения по ее длине и способствует предупреждению преждевременных разрядов. Этой же цели предупреждения разрядов служит шар 5, которым заканчивается конец сердечника. Высокое напряжение из бака выводится через проходной изолятор, заканчивающийся металлическим шаром 6. Он одновременно служит одним из шаров измерительного разрядника, применяемого для измерения напряжения, приложенного к трубке. Кроме того, в нем размещена аккумуляторная батарея, служащая для накала катода трубки. Второй конец обмотки заземлен.
Для более равномерного распределения потенциала вдоль рентгеновской трубки имеются дополнительные электроды 7 и 8, к которым присоединяются выводы. Электрод 7 находится под напряжением 600 кВ. Обмотка низкого напряжения питается через турбинный прерыватель 60-периодным током при напряжении 12 000 В.
Применение современных технических средств и приемов конструирования высоковольтных устройств открывает большие возможности для модернизации индуктора.

Индукционный нагреватель периодического действия ИНМ-75

Индукционный нагреватель периодического действия инм-75 и его модернизация. Описание установки. Для методического индукционного нагрева, используют индукционный нагреватель ИНМ-75, предназначенный для нагрева цилиндрических алюминиевых заготовок диаметром 240 мм. Общий вид индуктора представлен на рисунке. Показано размещение индукционного нагревателя в составе агрегата для прессования профиля. Схема включения индукционного нагревателя с трехфазную сеть показана на рисунке ниже. Для повышения мощности применено автотрансформаторное включение секций индуктора по схеме вольтодобавочного трансформатора (ВДТ).

Секции индуктора включены через вольтодобавочные трансформаторы марки ОСУ-100/0,5 в трехфазную сеть 380 В. Индуктор состоит из трех секций, расположенных встык соответственно «входная», «средняя» и «выходная» с полюсами магнитопровода между ними. Секции индуктора выполнены трехслойными из медной трубки 15´20,5´3 мм. Напряжение на выходе вольтодобавочных трансформаторов входной и средней секции индуктора по 440 В, на выходной секции 525 В. Автотрансформаторная схема включения секций индуктора выбрана в данном случае для увеличения напряжения на батарее конденсаторов с номинальным напряжением 660 В (КС2-0,66-2У3). Выходная секция настраивается на большее напряжение, чем входная и средняя секции для того, что максимальная мощность поступала в последнюю заготовку. Температура заготовки на выходе из индуктора контролируется по показаниям торцевой термопары.

В индукционном нагревателе методического действия одновременно находятся несколько заготовок. Их число определяется длиной нагреваемой в данный момент загрузки, соответственно длине и профилю прессуемых изделий. Общий вид индукционного нагревателя методического действия ИНМ-75 его размещение в составе агрегата для прессования профиля показано на рисунке ниже.

При пуске индукционного нагревателя методического действия, все заготовки, кроме последней, являются балластными и не могут подвергаться обработке давлением. При нагреве заготовки до заданной температуры столб загрузки перемещают, и более нагретые заготовки смещаются менее нагретыми на длину одной заготовки. Трехфазный индуктор имеет электрические выводы из каждого слоя каждой секции. Охлаждение обмотки осуществляется принудительной циркуляцией воды через водоотводящие шланги. Управление режимом нагрева осуществляется автоматически и контролируется с поста управления. Коммутация силовых цепей выполняется при помощи выключателей-регуляторов (ВР), собранных по схеме встречного параллельного соединения силовых тиристоров (Т12), (Т34), (Т56). Вольтодобавочные трансформаторы имеют сдвоенные обмотки, причем обмотки высокого напряжения (ВН) включены последовательно, обмотки низкого напряжения (НН) включены параллельно с целью увеличения диапазона регулирования напряжения. Переключение ступеней напряжения вольтодобавочных трансформаторов осуществляется при отключенном электропитании УИН.

Наблюдение за работой индукционного нагревателя при нагреве слитков длиной 750 мм показало, что примерно за 115 секунд нагрева температура в месте установки торцевой термопары поднимается с 405 °С до 500 °С. Время выгрузки и передвижения столба загрузки примерно 10 секунд. Заготовка находится в индукторе с момента окончания нагрева до момента выгрузки от 100 до 250 секунд, что определяется готовностью пресса к работе. Принципиальная схема индукционной установки показана на рисунке.

Величина тока в секциях трехфазного индуктора меняется незначительно. От начала до окончания основной стадии нагрева ток уменьшается не более чем на 5 %. Это связано с тем, что изменение температуры загрузки в пределах одной секции установки методического действия много меньше, чем в нагревателе периодического действия.

Численное исследование режимов нагрева цилиндрической загрузки в трехфазном индукционном нагревателе методического действия. Эксплуатация трехфазных индукционных нагревательных установок также может вызывать несимметрию токов и напряжений питающей сети, если имеет место неравномерное распределение активной мощности по фазам индуктора, обусловленное требованиями технологического процесса.

Для принципиальной схемы трехфазного индукционной установки показана схема магнитных связей в индукционном нагревателе, использованная для построения схемной модели для ЭВМ, представленной ниже. Известные конструктивные параметры индуктора, свойства материалов и временные диаграммы использованы при математическом моделировании процесса нагрева цилиндрических слитков длинной 750 и 1500 мм. Соответствующая трехфазному индуктору система уравнений по второму закону Кирхгофа представлена ниже. Система топологических уравнений (4.1), совместно с тремя уравнениями для узловых токов по первому закону Кирхгофа, позволяет определить все токи в схеме индукционного нагревателя при известных интегральных параметрах.

Схема магнитных связей в индукционном нагревателе трехфазной индукционной установки методического действия показана ниже.

где Rи Lи – собственные резистивные сопротивления и индуктивности секций УИН, Rи Lи (штрих) – собственные сопротивления и индуктивности резонансных отпаек секций, Мii – взаимные индуктивности внутри каждой секций УИН, Мij – взаимные индуктивности между секцией и отпайкой смежной фазы, Мij (штрих) – взаимные индуктивности секций УИН между фазами, U(AB,BC,CA) – комплексы напряжений питания индуктора с учетом вольтодобавки, согласно схеме индукционной установки.

Однако решать систему уравнений для индукционного нагревателя нецелесообразно, поскольку с учетом вольтодобавочных трансформаторов на разных ступенях напряжения и неидеального трехфазного источника схема силовой цепи УИН существенно усложняется. Поэтому в комбинированной математической модели применено схемотехническое моделирование. В моделях установлены управляемые источники, направление управляющих и управляемых ветвей которых, определяется с учетом уравнений (4.1) и схемы магнитных связей, представленной на рисунке. Таким образом, для трехфазного индуктора в текстовом файле хранится описание схемной макромодели (INDUCTOR.LIN) с управляемыми источниками. Аналогичные текстовые модули с соответствующими названиями содержат описания остальных моделей цепи.

При загрузке решающего модуля описания всех моделей считываются в определенной последовательности заданной в головном модуле информационно-логического блока и объединяются в единую задачу. Решение задачи выполняется итерационно, результаты решения сохраняются в табличной форме. В результате расчетов получают исчерпывающую информацию о температурных режимах объекта исследования. Кривые распределения температурного перепада по радиусу нагретой заготовки в установке показаны далее.

На рисунке ниже представлены графики распределения удельной поверхностной мощности по длине загрузки (анализ нагрева с наличием магнитопровода индукторе), полученные в результате анализа электромагнитного поля. Наличие магнитопровода практически полностью уменьшает влияние соседних секций друг на друга, но при этом величина удельной поверхностной мощности в местах стыков снижается до нуля, что приводит к увеличению неравномерности теплового поля по длине загрузки.

На рисунке справа можно видеть распределение температуры загрузки на поверхности и оси столба загрузки, а также на линии установки торцевой термопары в установившемся режиме в конце основного нагрева. Характеристики получены в результате анализа температурного поля. По графикам распределения теплового поля можно наблюдать существенно меньшее увеличение температуры загрузки на стыках секций разных фаз, чем по длине секций. Это объясняется ослаблением продольного магнитного поля в местах стыков секций разных фаз. Для индукционных нагревателей методического действия вопрос равномерности теплового поля по длине загрузки особенно актуален в тех случаях, когда длину загрузки меняют в широких пределах в зависимости от формы и длины производимого в данный момент алюминиевого профиля с длинами загрузки от 300 до 1500 мм. Из-за различных комбинаций размещения заготовок относительно краев индуктора и стыков секций разных фаз распределение теплового поля в нагретой заготовке сильно различается. Зависимость полезной мощности в загрузке от сдвига фазы тока в обмотках соседних фаз, полученная в результате решения электромагнитной задачи показана на рисунке ниже. 

По графику видно, что магнитопровод выравнивает мощность в загрузке. Вместе с тем, в отсутствии магнитопровода выделение мощности в загрузке существенно зависит от фазового сдвига токов в соседних секциях индукционного нагревателя. Следовательно, необходимо обеспечить возможно меньший фазовый сдвиг, чтобы увеличить тепловыделение в загрузке. По характеристике полезной мощности видно, что с уменьшением фазового сдвига токов возможно увеличить тепловую мощность в загрузке на 6 %. Однако уменьшению фазового сдвига токов до нуля препятствуют собственные и взаимные индуктивности секций индукционного нагревателя. Возможность уменьшения фазового сдвига токов соседних фаз целесообразно исследовать на ЭВМ. Для этого необходимо получить соответствующие характеристики изменения резистивных и реактивных сопротивлений секций в зависимости от фазового сдвига токов.

Кривые изменения сопротивлений индукционного нагревателя при разных фазовых сдвигах токов в соседних секциях показаны на рисунке. Характеристики получены в результате решения задачи анализа электромагнитного поля с применением комбинированной математической модели и соответствуют системе уравнений 4.1. С учетом кривых в программном модуле анализа режимов силовых цепей получена векторная диаграмма токов и напряжений установки. По диаграмме видно, что учет эффекта переноса мощности за счет введения индуктивных связей в схемных моделях, построенных для анализа режима на ЭВМ, приводит к искажению симметрии токов трехфазного индукционного нагревателя. Аналогичная диаграмма получается при учете изменения резистивного сопротивления и собственных индуктивностей в фазах индукционного нагревателя.

Использование массивов рассчитанных значений резистивного и реактивного сопротивлений индукционного нагревателя для уточнения параметров схемных моделей в локальном итерационном цикле позволяет получить режимные параметры индукционной установки для различных фазовых сдвигах токов в соседних секциях трехфазного индуктора. 

Причем учет взаимных индуктивностей между секциями приводит к аналогичному искажению симметрии трехфазной системы токов, как и использование несимметричных значений сопротивлений по фазам индукционного нагревателя. Отмеченное явление отрицательно влияет на качество прессования изделий и надежность работы нагревателя, потому что слитки нередко плавятся непосредственно в муфеле индукционного нагревателя. Поэтому предприятием поставлена задача модернизации индукционного нагревателя, результатом которой должна стать разработка научно-технического решения, уменьшающего вредное влияние неравномерности распределения удельной поверхностной мощности по длине столба, независимо от длины заготовки.

Экспериментальные исследования индукционной установки методического действия. Экспериментальные исследования трехфазного индукционного нагревателя проведены на машинно-испытательной станции Красноярского металлургического завода. Наличие в индукторе отводов для охлаждающей воды позволило подключить приборы и экспериментально определить сопротивления каждого слоя в каждой секции. Расчет интегральных параметров индуктора выполнен по выражениям:

где: rk, xk – собственные резистивное и реактивное сопротивление каждой секции, Uk, Ik – действующие значения напряжения и тока, Рk – активная мощность в секции, Uj – напряжение, индуктируемое в смежной секции при заданном токе Ik в основной секции.

Измерения проведены в каждой фазе вольтметром, амперметром и ваттметром, как с загрузкой в индукторе, так и без загрузки, по схеме, представленной на рисунке. Результаты экспериментального исследования интегральных параметров представлены в таблицах, где e – погрешность. Измерения показали, что сопротивления разных слоев обмотки трехфазного индукционного нагревателя существенно отличаются между собой. Схема проведения натурного эксперимента и экспериментальные кривые распределения сопротивлений по слоям индукционного нагревателя

Отличия сопротивлений разных витков в одном слое не превышают 4 %, поэтому допущение постоянства сопротивления витков в слое вполне приемлемо. В таблицах показаны резистивные и реактивные сопротивления обмоток.

А твкже взаимные индуктивности обмоток

В целом, различие измеренных и расчетных значений сопротивлений и взаимных индуктивностей не превышает 5 %.

Разработка мероприятий по модернизации индукционного нагревателя ИНМ-75. Трехфазные установки индукционного нагрева мерных заготовок, изготавливают, как правило, из трех катушечных групп. При этом катушки расположенные встык соединяют в треугольник и подключают на линейное напряжение промышленной сети. Вследствие взаимного влияния соседних катушек индуктора на их стыке ослаблено электромагнитное поле. Поэтому в этой зоне на поверхности мерных заготовок образуется провал в распределении удельной мощности. Кроме того, для обеспечения равномерности выделяющейся в загрузке удельной мощности по их поверхности, катушки индуктора располагают вплотную друг к другу с возможно малым осевым зазором. Это увеличивает их взаимную индуктивность и приводит к неравномерной загрузке фаз сети (эффект переноса мощности между фазами).

Существуют способы уменьшения взаимного влияния соседних катушек индуктора. Оно снижается при уменьшении сдвига фаз между ними с j = 120° до j = 60° путем инвертирования фазы тока средней катушки на 180°. Но, несмотря на это удельная мощность в поверхности нагреваемых мерных заготовок остается неравномерной, а несимметрия токов и напряжений сохраняется. Для решения проблемы предложено изобретение, обеспечивающее равномерность нагрева загрузки по длине и снижение несимметрии в питающей сети за счет уменьшения сдвига фазы тока в соседних катушках. Ниже рассмотрена индукционная установка сквозного нагрева мерных заготовок с тремя, расположенными в стык и соединенными в треугольник катушками с инверсным включением средней катушки. Эскиз индукционного нагревателя для сквозного нагрева мерных заготовок со схемой подключения катушек к источнику трехфазного напряжения представлен на рисунке слева. Электрическая схема замещения УИН сквозного нагрева показана на рисунке справа.

Эскиз конструкции трехфазного индукционного нагревателя со схемой включения конденсаторов и его принципиальная схема. На каждую катушку установки предусмотрено по батарее конденсаторов. Одна из крайних катушек соединена с соответствующей батареей конденсаторов последовательно, другая крайняя катушка соединена с соответствующей батареей конденсаторов параллельно, а средняя катушка соединена с частью соответствующей ей БК последовательно и параллельно образовавшемуся последовательному контуру подключена другая часть этой БК.

Первоначальное значение емкости С4 батареи конденсаторов 4 выбирают из условия равенства ее емкостного сопротивления хС4 с индуктивным сопротивлением катушки 1 (x1).

Расчет режимов УИН выполнен на ЭВМ с применением программного комплекса теории цепей. Схемная модель УИН для анализа на ЭВМ представлена на рисунке ниже.

Элементы Ei в машинной модели выполняют роль датчиков комплексного тока. Управляемые источники EUk служат датчиками комплексных напряжений на участках цепи. В решающем модуле программного комплекса использован алгоритм узлового анализа (расширенные узловые уравнения) с применением редукции слабо заполненных матриц.

Емкость С5 части (5') БК5 выбирают в соответствии с выражением:

где r2 и x2 – активное и реактивное сопротивления катушки 2.

Полные сопротивления ветвей, содержащих катушки 1, 2, 3 индукционной установки сквозного нагрева мерных заготовок, различны. Поэтому для обеспечения симметрии нагрузки количество витков (w) и сечения индуктирующих проводов (S) катушек 1, 2, 3 выбраны в соответствии с условиями w1>w2>w3 и S1<S2<S3. Между катушками 1, 2, 3 и нагреваемой загрузкой 7 имеется футеровка 8.

При подключении к катушкам переменных линейных напряжений UAB, UBC, UCA соответственно, в элементах установки возникают переменные электрические токи. Комплексы линейных напряжений показаны на векторной диаграмме токов и напряжений (рисунок 4.10, б) и представляют собой симметричную трехфазную систему напряжений, с нулевой начальной фазой напряжения фазы А.

Вектор комплексного тока AB совпадает с вектором напряжения AB, так как реактивное сопротивление этой ветви равно нулю. Таким образом, ток в катушке 1 имеет фазу 30 град. Вектор тока CA также совпадает по фазе с напряжением CA, при этом ток CA катушки 3) отстает от напряжения CA на некоторый угол. Таким образом, фаза тока катушки 3. Вектор тока BC также совпадает по фазе с напряжением BC, ток катушки 2 отстает от напряжения BC  на половинный угол. Кроме того, катушка 2 подключена к источнику инверсно, поэтому фаза тока катушки 2. Таким образом, сдвиг фаз между токами в соседних катушках установки меньше 60°. В ходе моделирования электромагнитных процессов в силовых цепях установившийся режим электрической схемы установки рассчитывается многократно при изменении температурного режима УИН в ходе нагрева после уточнения интегральных параметров индукторов методами теории поля. Количество витков катушек 1, 2, 3 подобрано таким, чтобы обеспечить симметрию линейных токов источника Ia = Ib = Ic и равномерность линейной токовой нагрузки по длине установки, при условии (w1 > w2 > w3). Схемная модель трехфазного индуктора (а) и его векторная диаграмма

В таблице можно видеть, что после модернизации индуктора описанным выше способом увеличен коэффициент полезного действия установки с 0,33 до 0,359. Учитывая, что максимальная мощность индуктора достигает 750 кВт, можно заключить, что подобное повышение КПД существенно.

На рисунке ниже приведено сравнение кривых перепада температуры по радиусу и длине заготовки и характеристик распределения температурного поля по длине нагретой заготовки при исходной схеме (1) и после модернизации индукционного нагревателя (2) в конце нагрева. Легко видеть, что почти во всем интервале длин нагреваемой загрузки значительно снижается перепад температуры, как по радиусу, так и по длине заготовки.

Следует отметить, что рассмотренная модернизация имеет и отрицательные последствия. Во-первых, значительно увеличился коэффициент несимметрии с 0,055 до 0,136, что больше допустимого значения (0,04). Во-вторых, напряжения на первой и второй секциях превышают 1000 вольт, что переводит установку в разряд высоковольтных и может рассматриваться как фактор снижения надежности. Указанные особенности привели к необходимости поиска путей дальнейшей модернизации для устранения отрицательных последствий. Одним из способов решения проблемы является выбор неодинаковой длины секций разных фаз индуктора, что позволяет перераспределить мощность и линейную токовую нагрузку.

Сравнение кривых перепада температуры по радиусу (а) и длине заготовки (б) и характеристик распределения температурного поля по длине нагретой заготовки (в) при исходной схеме (1) и после модернизации индукционного нагревателя (2) в конце нагрева.

 

Указанное решение может быть реализовано без затруднений, поскольку в предложенной конструкции отсутствует магнитопровод. Из таблицы видно, что применение такого решения (l1>l2>l3) приводит к уменьшению напряжения ниже 1000 В, уменьшает коэффициент несимметрии токов до 3,5%, при незначительном уменьшении КПД (на 0,3 %). Кроме того, увеличивается естественный коэффициент мощности несимметричной нагрузки с 0,294 до 0,328.

Предлагаемая конструкция УИН позволила уменьшить угол сдвига фаз в соседних секциях с 60 до 16 град. Это привело к уменьшению провала удельной поверхностной мощности и повышению качества нагрева загрузки, согласно сравнительным характеристикам. Кроме того, установка обеспечивает заданную мощность без использования вольтодобавочных трансформаторов, что повышает надежность в целом. Представленные результаты позволяют заключить, что численное моделирование установки методического действия подтвердило принятые решения по модернизации индукционного нагревателя.

Выводы

1. В статье представлены результаты численного и экспериментального исследования процесса нагрева цилиндрической алюминиевой загрузки в индукционном нагревателе методического действия ИНМ-75 перед прессованием. Основной особенностью нагревателя является расположение встык соседних секций индуктора, включаемых на линейные напряжения, при этом из-за наличия взаимной индуктивности наблюдается перераспределение мощности и уменьшение полезной мощности в загрузке на стыке секций.

2. Особое внимание уделено исследованию перераспределения мощности между обмотками разных фаз в силу наличия взаимной индуктивности между расположенными встык обмотками. Получены зависимости полезной мощности в загрузке и сопротивления обмоток разных фаз при наличии магнитопровода и в его отсутствие, от сдвига фаз токов в этих обмотках.

3. Получены зависимости перепада температуры по радиусу и длине заготовки в конце нагрева для загрузки от 300 до 1500 мм. Перепад температур в загрузке размером 1500 мм достигает 325°С, что значительно выше допустимого уровня.

4. Предложено новое устройство трехфазной установки индукционного нагрева (патент РФ № 2237385), позволяющее уменьшить перенос мощности между фазами за счет уменьшения сдвига фаз токов в соседних обмотках с 60 до 16 град. И обеспечить требуемое качество нагрева. В частности, перепад температуры по длине заготовки размером 1500 мм в конце нагрева сокращается с 325 до 125°С, по радиусу – с 36 до 24°С.

5. На основании численных экспериментов получены схемные и конструктивные решения по модернизации индукционного нагревателя методического действия ИНМ-75 в ООО «ЛПЗ СЕГАЛ» (г. Красноярск) с целью улучшения его энергетических показателей, повышения качества нагрева и производительности установки.

6. Достоверность результатов математического моделирования подтверждена удовлетворительным совпадением с данными натурных экспериментов, полученных на машиноиспытательной станции в электроцехе Красноярского металлургического завода и на действующем агрегате в ООО «ЛПЗ Сегал» (г. Красноярск). Сопоставление показало, что погрешность расчета не превышает 5 %.

7. За счет неравномерного распределения линейной токовой нагрузки по длине индукционного нагревателя достигнуто более равномерное распределение полезной мощности по фазам и коэффициент несимметрии токов установки уменьшен до 3,5 %.

8. В результате модернизации индукционного нагревателя методического действия улучшаются его энергетические характеристики и повышается коэффициент полезного действия установки на 2,6 %.

                Евгений Бортник, Красноярск, Россия, 2012

Индуктор. Индуктор нагревательный. | мтомд.инфо

Индуктор нагревательный (лат. inductor, от induce — ввожу, нахожу, побуждаю) — электромагнитное устройство, предназначенное для индукционного нагрева. Индуктор нагревательный состоит из двух основных частей — индуктирующего провода, с помощью которого создаётся переменное магнитное поле, и токоподводов для подключения индуктирующего провода к источнику электрической энергии. Проводящее электрический ток тело, помещенное в магнитное переменное поле, нагревается вследствие теплового действия вихревых токов, наводимых в участках изделия, непосредственно охватываемых индуктирующим проводом.

Индукционная нагревательная установка
Индукционная печь. Схема индукционной печи.

В основном все типы нагревательных индукторов могут быть разделены на два вида: одновременного и непрерывно-последовательного нагрева. В первом случае площадь индуктирующего провода примерно равна площади нагреваемой поверхности, что позволяет одновременно нагревать все её участки. При втором способе нагреваемое изделие перемещают относительно индуктирующего провода, последовательно нагревая участки поверхности изделия.

Существуют нагревательные индукторы для поверхностного нагрева и закалки различных изделий (деталей), для сквозного нагрева кузнечных заготовок, нагрева листового материала, для плавки металлов и др., различающиеся конструктивным выполнением, частотой питающего электрического тока, материалом магнитопровода индуктирующей системы и пр.

Поверхностная закалка стали. Закалка ТВЧ. Закалка стали ТВЧ. Установка для закалки ТВЧ. Закалка токами высокой частоты.

На рис. 1 показан индуктор нагревательный для нагрева под закалку простых цилиндрических деталей способом одновременного нагрева. Чтобы избежать перегрева и расплавления индуктирующего провода, его выполняют массивным. Такие нагревательные индукторы питают током с частотой 10 кгц. На поверхности индуктирующего провода расположены отверстия для подачи на нагретую деталь закалочной воды после выключения электрического тока. Таким образом одновременно охлаждается и сам индуктор нагревательный.

Рисунок 1 — Индуктор для закалки цилиндрических деталей способом одновременного нагрева

1 — воронки для выравнивания давления закалочной воды в камере 2; 3 — индуктирующий провод с отверстиями для выхода закалочной воды; 4 — трубопровод водяного охлаждения

Простейшим многовитковым нагревательным индуктором, предназначенным для закалки внутренних поверхностей деталей, является соленоид. Соленоидными нагревательными индукторами нагревают внутренние цилиндрические поверхности диаметром 50 мм и более. При диаметрах отверстий меньше 30 мм используют петлевые нагревательные индукторы с магнитопроводом (рис. 2), а для нагрева внутренних цилиндрических поверхностей диаметром меньше 15 мм — стержневые нагревательные индукторы в виде трубки, диаметр которой на несколько мм меньше диаметра обрабатываемого отверстия. Трубка по отношению к отверстию располагается коаксиально. Для сквозного нагрева кузнечных заготовок применяют нагревательные индукторы, изготавливаемые из трубки, которая при большой длине разделяется на несколько секций с отдельным охлаждением.

Рисунок 2 — Петлевой индуктор для закалки внутренних цилиндрических поверхностей способом одновременного нагрева при вращении закаливаемой детали


а — конструкция с отдельными камерами для охлаждения индуктора и выхода закалочной воды; б — конструкция без постоянного охлаждения

1 — магнитопровод; 2 — индуктирующий провод; 3 — трубопровод водяного охлаждения

Плоские поверхности изделий нагревают для закалки индуктором нагревательным с индуктирующим проводом в виде плоских спиралей или зигзагов (для малых нагреваемых площадей) либо непрерывно-последовательным способом нагрева с перемещением нагреваемой детали над индуктирующим проводом (рис. 3). Существуют секционированные нагревательные индукторы с отдельными подводами электрического тока к каждой секции; включая или выключая в определённом порядке секции, можно закаливать (нагревать) поверхности переменной ширины и требуемой формы. Нагрев торцевых поверхностей производится индуктором нагревательным зигзагообразной формы; для равномерного нагрева поверхности деталь вращают.

Рисунок 3 — Индуктор для закалки плоской поверхности непрерывно-последовательным способом


1 — индуктирующий провод; 2 — магнитопровод; 3 — душевое устройство для подачи закалочной воды; 4 — трубопровод водяного охлаждения

Листовой материал и ленты наиболее эффективно нагреваются в поперечном магнитном поле (рис. 4), при этом толщина листа должна быть меньше глубины проникновения тока (обычно на частотах от 10 до 70 кгц). Нагрев и закалку зубьев шестерни производят в петлевом индукторе нагревательном, охватывающем зуб с двух сторон. Чтобы закалить (см. Закалка стали) впадину между зубьями, индуктирующий провод располагают вдоль окружности шестерни, устанавливая против впадин магнитопроводы, входящие при рабочем положении внутрь впадин.

Индукционная нагревательная установка
Индукционная печь. Схема индукционной печи.

Рисунок 4 — Схема индукторов для нагрева листового материала в поперечном магнитном поле


а — при размещении индуктирующего провода с одной стороны нагреваемого листа; б — при размещении индуктирующего провода с обеих сторон нагреваемого листа

1 — индуктирующий провод; 2 — магнитопровод; 3 — ярмо магнитопровода

Индуктор в цепи постоянного тока

Цепи постоянного тока> Индуктор в цепи постоянного тока

Индуктор - это пассивное устройство, которое накапливает энергию в своем магнитном поле и возвращает энергию в цепь, когда это необходимо. Индуктор образован цилиндрическим сердечником с множеством витков проводящего провода. Рисунки 1 и 2 представляют собой базовую структуру и схематический символ индуктора.

Рисунок 1: Базовая конструкция индуктора

Рисунок 2: Условное обозначение индуктора

Когда индуктор подключен к цепи с источником постоянного тока (DC), в определенных условиях происходят два процесса, которые называются «накоплением» и «затуханием» энергии.

Катушка индуктивности подключена к источнику питания постоянного тока, рис. 3. Внезапное увеличение тока в индукторе создает саминдуцированную электродвижущую силу, v ЭДС , противодействующую изменению тока, рис. 1. Это проявляется как напряжение на индукторе. , vL = - v ЭДС . Это - v emf замедлит текущее изменение, и, в свою очередь, замедление текущего изменения сделает vL меньше. Когда ток становится стабильным, индуктор больше не создает противодействия и vL становится равным нулю, фаза накопления завершается.

Рисунок 3: Индуктор накапливает энергию

Катушка индуктивности эквивалентна короткому замыканию на постоянный ток, потому что после завершения фазы накопления ток, iL, который протекает через него, является стабильным, iL = V / R, без самонаводящейся ЭДС. производится и vL равен нулю. Индуктор действует как обычный соединительный провод, его сопротивление равно нулю. Ток iL через индуктор не может резко измениться.

Когда индуктор отключен от источника питания, рис. 4, vL меняет полярность и мгновенно падает с нуля до отрицательного значения, но iL сохраняет то же направление и величину.Энергия, запасенная в индукторе, затухает через резистор R D . vL постепенно увеличивается до нуля, а iL постепенно падает до нуля.

Рисунок 4: Индуктор теряет энергию

На рисунках 3 и 4 сопротивление R S и R D влияет на скорость сохранения и скорость затухания индуктора соответственно.

Частное индуктивности L и сопротивления R называется постоянной времени τ, которая характеризует скорость накопления энергии и затухания энергии в индукторе, рисунок 5.

Рисунок 5: Напряжение V L и ток i L во время фазы хранения и фазы разряда (затухания)

Чем больше сопротивление, тем меньше постоянная времени, тем быстрее индуктор накапливает энергию и затухает энергию, и наоборот.

Катушки индуктивности используются во многих электронных схемах. Например, два индуктора могут образовывать трансформатор, который используется для преобразования высокого и низкого напряжения и наоборот.

Цепи постоянного тока> Индуктор в цепи постоянного тока

Индуктор

и влияние индуктивности на индуктор

В наших уроках по электромагнетизму мы видели, что когда электрический ток течет через проводник, вокруг этого проводника создается магнитный поток.Этот эффект создает взаимосвязь между направлением магнитного потока, циркулирующего вокруг проводника, и направлением тока, протекающего через тот же проводник. Это приводит к взаимосвязи между током и направлением магнитного потока, называемой «правилом правой руки Флеминга».

Но есть еще одно важное свойство, относящееся к намотанной катушке, которое также существует, а именно, что вторичное напряжение индуцируется в той же катушке движением магнитного потока, поскольку оно противодействует или сопротивляется любым изменениям электрического тока, протекающего по ней.

Типовой индуктор

В своей основной форме индуктор представляет собой не что иное, как катушку с проволокой, намотанную вокруг центрального сердечника. Для большинства катушек ток (i), протекающий через катушку, создает вокруг нее магнитный поток (NΦ), который пропорционален этому потоку электрического тока.

Катушка индуктивности , также называемая дросселем, представляет собой другой электрический компонент пассивного типа, состоящий из катушки с проволокой, предназначенной для использования преимущества этого отношения, создавая магнитное поле в самом себе или внутри его сердечника в результате тока, протекающего через катушка проволоки.Превращение проволочной катушки в катушку индуктивности приводит к гораздо более сильному магнитному полю, чем то, которое создается простой катушкой с проволокой.

Катушки индуктивности

состоят из проволоки, плотно намотанной вокруг твердого центрального сердечника, который может быть либо прямым цилиндрическим стержнем, либо непрерывной петлей, либо кольцом для концентрации их магнитного потока.

Схематическое обозначение катушки индуктивности - это катушка с проволокой, поэтому катушку с проволокой также можно назвать индуктором . Индукторы обычно классифицируются в зависимости от типа внутреннего сердечника, вокруг которого они намотаны, например, полый сердечник (на открытом воздухе), твердый железный сердечник или мягкий ферритовый сердечник, при этом различные типы сердечников выделяются путем добавления непрерывных или пунктирных параллельных линий рядом с катушка с проволокой, как показано ниже.

Символ индуктивности

Ток i, протекающий через катушку индуктивности, создает пропорциональный ему магнитный поток. Но в отличие от конденсатора, который противодействует изменению напряжения на своих пластинах, индуктор противодействует скорости изменения тока, протекающего через него, из-за накопления самоиндуцированной энергии в его магнитном поле.

Другими словами, катушки индуктивности сопротивляются изменениям тока или противодействуют им, но легко пропускают установившийся постоянный ток.Эта способность катушки индуктивности противостоять изменениям тока и которая также связывает ток, i с его магнитной индукционной связкой, NΦ как константу пропорциональности, называется индуктивностью , которой присвоено обозначение L с единицами Генри , ( H ) после Джозефа Генри.

Поскольку Генри является относительно большой единицей индуктивности сам по себе, для меньших индуктивностей используются подъединицы Генри для обозначения ее значения. Например:

Префиксы индуктивности

Префикс Символ Множитель Сила десяти
милли кв.м. 1/1000 10 -3
микро µ 1/1 000 000 10 -6
нано n 1/1 000 000 000 10 -9

Итак, чтобы отобразить подъединицы Генри, мы будем использовать в качестве примера:

  • 1 мГн = 1 милли-Генри, что равно одной тысячной (1/1000) части Генри.
  • 100 мкГн = 100 микро-Генри, что равно 100 миллионной (1 / 1,000,000) Генри.

Катушки индуктивности или катушки очень распространены в электрических цепях, и существует множество факторов, определяющих индуктивность катушки, например, форма катушки, количество витков изолированного провода, количество слоев проволоки, расстояние между ними. витки, проницаемость материала сердечника, размер или площадь поперечного сечения сердечника и т. д., и это лишь некоторые из них.

Катушка индуктивности имеет центральную площадь сердечника (A) с постоянным числом витков провода на единицу длины (l).Таким образом, если катушка из N витков связана посредством магнитного потока Φ, тогда катушка имеет потокосцепление NΦ, и любой ток, (i), который течет через катушку, будет создавать индуцированный магнитный поток в направлении, противоположном направлению поток тока. Затем, согласно закону Фарадея, любое изменение в этой магнитной потокосцепке вызывает самоиндуцированное напряжение в единственной катушке:

  • Где:
  • N - количество витков
  • A - площадь поперечного сечения, м 2
  • Φ - величина потока в Webers
  • мкм - проницаемость материала сердечника
  • l Длина змеевика в метрах
  • di / dt - скорость изменения тока в амперах в секунду

Изменяющееся во времени магнитное поле индуцирует напряжение, которое пропорционально скорости изменения тока, производящего его, с положительным значением, указывающим на увеличение ЭДС, и отрицательным значением, указывающим на уменьшение ЭДС.Уравнение, связывающее это самоиндуцированное напряжение, ток и индуктивность, можно найти, заменив мкН 2 А / л на L, обозначающую константу пропорциональности, называемую индуктивностью катушки.

Связь между потоком в индукторе и током, протекающим через индуктор, определяется как: NΦ = Li. Поскольку катушка индуктивности состоит из катушки с проводником, это затем сокращает приведенное выше уравнение, чтобы получить самоиндуцированную ЭДС, иногда называемую обратной ЭДС , также индуцированную в катушке:

Обратная ЭДС, генерируемая индуктором

Где: L - самоиндукция, а di / dt - скорость изменения тока.

Катушка индуктивности

Таким образом, из этого уравнения мы можем сказать, что «Самоиндуцированная ЭДС равна индуктивности, умноженной на скорость изменения тока», и цепь с индуктивностью в один Генри будет иметь ЭДС в один вольт, индуцированную в цепи, когда ток, протекающий через цепь меняется со скоростью один ампер в секунду.

Одно важное замечание по поводу приведенного выше уравнения. Он только связывает ЭДС, создаваемую на катушке индуктивности, с изменениями тока, потому что, если течение тока в катушке индуктивности является постоянным и не изменяется, например, в установившемся режиме постоянного тока, то индуцированное напряжение ЭДС будет равно нулю, поскольку мгновенная скорость изменения тока равна ноль, di / dt = 0.

При постоянном постоянном токе, протекающем через катушку индуктивности и, следовательно, нулевом индуцированном напряжении на ней, индуктор действует как короткое замыкание, равное куску провода или, по крайней мере, с очень низким сопротивлением. Другими словами, сопротивление протеканию тока, обеспечиваемое катушкой индуктивности, сильно различается между цепями переменного и постоянного тока.

Постоянная времени индуктора

Теперь мы знаем, что ток не может мгновенно измениться в катушке индуктивности, потому что для того, чтобы это произошло, ток должен измениться на конечную величину за нулевое время, что приведет к тому, что скорость изменения тока будет бесконечной, di / dt = ∞ , что делает наведенную ЭДС бесконечной, а бесконечные напряжения не существуют.Однако, если ток, протекающий через катушку индуктивности, изменяется очень быстро, например, при срабатывании переключателя, на катушке индуктора могут возникать высокие напряжения.

Рассмотрим схему чистого индуктора справа. Когда переключатель (S1) разомкнут, ток через катушку индуктивности не протекает. Поскольку через катушку не течет ток, скорость изменения тока (di / dt) в катушке будет равна нулю. Если скорость изменения тока равна нулю, в катушке индуктивности нет самоиндуцированной обратной ЭДС (V L = 0).

Если мы теперь замкнем переключатель (t = 0), ток будет течь через цепь и медленно поднимется до своего максимального значения со скоростью, определяемой индуктивностью катушки индуктивности. Эта скорость тока, протекающего через катушку индуктивности, умноженная на индуктивность катушки индуктивности в системе Генри, приводит к возникновению в катушке некоторой самоиндуцированной ЭДС фиксированного значения, как это определено приведенным выше уравнением Фарадея, V L = -Ldi / dt.

Эта самоиндуцированная ЭДС на катушке индуктора (V L ) борется с приложенным напряжением до тех пор, пока ток не достигнет своего максимального значения и не будет достигнуто состояние устойчивого состояния.Ток, который теперь протекает через катушку, определяется только постоянным током или «чистым» сопротивлением обмоток катушек, поскольку значение реактивного сопротивления катушки уменьшилось до нуля, потому что скорость изменения тока (di / dt) равна нулю в состояние устойчивого состояния. Другими словами, в реальной катушке существует только сопротивление катушки постоянному току, которое препятствует прохождению тока через себя.

Аналогичным образом, если переключатель (S1) разомкнут, ток, протекающий через катушку, начнет падать, но индуктор снова будет бороться с этим изменением и попытается сохранить текущее значение тока на его предыдущем значении, создавая другое напряжение в другом направлении. .Наклон падения будет отрицательным и связан с индуктивностью катушки, как показано ниже.

Ток и напряжение в индукторе

Сколько наведенного напряжения будет создаваться катушкой индуктивности, зависит от скорости изменения тока. В нашем руководстве по электромагнитной индукции Закон Ленца гласил: «Направление индуцированной ЭДС таково, что она всегда будет противодействовать вызывающему ее изменению». Другими словами, индуцированная ЭДС всегда будет ПРОТИВ движению или изменению, которые изначально привели к возникновению индуцированной ЭДС.

Таким образом, при уменьшении тока полярность напряжения будет действовать как источник, а при увеличении тока полярность напряжения будет действовать как нагрузка. Таким образом, при одинаковой скорости изменения тока через катушку увеличение или уменьшение величины наведенной ЭДС будет одинаковым.

Пример индуктора No1

Установившийся постоянный ток силой 4 ампера проходит через соленоидную катушку 0,5H. Каким было бы среднее напряжение обратной ЭДС, индуцированное в катушке, если бы переключатель в приведенной выше схеме был разомкнут на 10 мс и ток, протекающий через катушку, упал до нуля ампер.

Мощность в индукторе

Мы знаем, что индуктор в цепи противодействует прохождению тока, (i) через него, потому что поток этого тока индуцирует противодействующую ему ЭДС, закон Ленца. Затем должен работать внешний аккумуляторный источник, чтобы поддерживать ток, протекающий против этой наведенной ЭДС. Мгновенная мощность, используемая для создания силы тока, (i) против этой самоиндуцированной ЭДС (V L ), дается сверху как:

Мощность в цепи задается как, P = V * I, следовательно:

Идеальный индуктор не имеет сопротивления, только индуктивность, поэтому R = 0 Ом, и, следовательно, внутри катушки не рассеивается мощность, поэтому мы можем сказать, что идеальный индуктор имеет нулевые потери мощности.

Энергия в индукторе

Когда мощность поступает в индуктор, энергия накапливается в его магнитном поле. Когда ток, протекающий через катушку индуктивности, увеличивается и di / dt становится больше нуля, мгновенная мощность в цепи также должна быть больше нуля (P> 0), т. Е. Положительная величина, что означает, что энергия накапливается в катушке индуктивности.

Аналогично, если ток через катушку индуктивности уменьшается и di / dt меньше нуля, то мгновенная мощность также должна быть меньше нуля (P <0), то есть отрицательной, что означает, что индуктор возвращает энергию обратно в цепь. .Затем, интегрируя приведенное выше уравнение для мощности, общая магнитная энергия, которая всегда положительна, хранится в индукторе, поэтому определяется как:

Энергия, запасаемая индуктором

Где: W - в джоулях, L - в Генри, а i - в амперах

Энергия фактически накапливается в магнитном поле, окружающем индуктор, за счет протекающего через него тока. В идеальной катушке индуктивности, которая не имеет сопротивления или емкости, по мере того, как ток увеличивается, энергия течет в индуктор и сохраняется там в его магнитном поле без потерь, она не высвобождается до тех пор, пока ток не уменьшится и магнитное поле не исчезнет.

Тогда в цепи переменного тока переменного тока индуктор постоянно накапливает и доставляет энергию в каждом цикле. Если ток, протекающий через катушку индуктивности, постоянный, как в цепи постоянного тока, то запасенная энергия не изменяется, поскольку P = Li (di / dt) = 0.

Таким образом, индукторы можно определить как пассивные компоненты, поскольку они могут как накапливать, так и передавать энергию в цепь, но не могут генерировать энергию. Идеальный индуктор классифицируется как без потерь, что означает, что он может хранить энергию неограниченное время, поскольку энергия не теряется.

Однако настоящие катушки индуктивности всегда будут иметь некоторое сопротивление, связанное с обмотками катушки, и всякий раз, когда ток течет через сопротивление, энергия теряется в виде тепла из-за Закона Ома (P = I 2 R) независимо от того, ток переменный или постоянный.

Затем индукторы в основном используются в цепях фильтрации, резонансных цепях и для ограничения тока. Катушка индуктивности может использоваться в схемах для блокировки или изменения формы переменного тока или диапазона синусоидальных частот, и в этой роли катушка индуктивности может использоваться для «настройки» простого радиоприемника или различных типов генераторов.Он также может защитить чувствительное оборудование от разрушительных скачков напряжения и высоких пусковых токов.

В следующем уроке по индукторам мы увидим, что эффективное сопротивление катушки называется индуктивностью, а индуктивность, которая, как мы теперь знаем, является характеристикой электрического проводника, который «препятствует изменению тока», может быть либо внутренне индуцированная, называемая самоиндукцией, или внешняя индуцированная, называемая взаимной индуктивностью.

Что такое индуктор? - Простое и легкое руководство по индуктору

Я получил несколько писем с вопросом «Что такое индуктор?».И я понял, что это действительно хороший вопрос. Потому что это какой-то странный компонент.

Катушка индуктивности - это просто катушка с проволокой.

Сделать его невероятно просто - достаточно сделать несколько петель из проволоки. Но поскольку провода создают магнитные поля, вы скоро увидите, что они могут делать кое-что интересное.

Индуктор в цепи

Если вы изучаете электронику, первый важный вопрос: что делает катушка индуктивности в цепи?

Катушка индуктивности будет сопротивляться изменениям тока.

В схеме ниже у вас есть светодиод и резистор, соединенные последовательно с катушкой индуктивности. И есть переключатель для включения и выключения питания.

Без индуктора это была бы обычная светодиодная цепь, и светодиод включился бы сразу же, когда вы щелкаете выключателем.

Но индуктор - это компонент, который сопротивляется изменениям тока.

Когда переключатель выключен, ток не течет. Когда вы включаете выключатель, начинает течь ток.Это означает, что существует изменение тока, которому индуктор будет сопротивляться.

Таким образом, вместо того, чтобы ток сразу пошел от нуля до максимума, он будет постепенно увеличиваться до максимального значения.

(Максимальный ток для этой цепи устанавливается резистором и светодиодом.)

Поскольку сила тока определяет интенсивность света светодиода, индуктор заставляет светодиод постепенно загораться, а не мгновенно.

Примечание: Вам понадобится очень большая катушка индуктивности, чтобы можно было видеть, как светодиоды гаснут в приведенной выше схеме.Это не то, для чего вы бы использовали индуктор. Но используйте это как мысленный образ того, что индуктор делает в цепи.

Что происходит при отключении индуктора?

Катушка индуктивности также препятствует мгновенному отключению тока. Ток не просто перестанет течь в катушке индуктивности в одно мгновение.

Таким образом, когда вы выключаете питание, индуктор будет пытаться продолжить прохождение тока.

Это достигается за счет быстрого увеличения напряжения на его выводах.

На самом деле он настолько увеличивается, что вы можете получить небольшую искру на контактах вашего переключателя!

Эта искра позволяет току течь (через воздух!) В течение доли секунды, пока магнитное поле вокруг индуктора не разорвется.

Вот почему обычно диод помещают в обратном направлении через катушку реле или двигателя постоянного тока. Таким образом, индуктор может разряжаться через диод вместо того, чтобы создавать в цепи высокое напряжение и искры.

БЕСПЛАТНЫЙ бонус: Загрузите основные электронные компоненты [PDF] - мини-книгу с примерами, которая научит вас, как работают основные компоненты электроники.

Как работают индукторы

Любой провод, по которому протекает ток, окружено небольшим магнитным полем.

Когда вы наматываете провод в катушку, поле становится сильнее.

Если вы намотаете провод на магнитопровод, например, из стали или железа, вы получите еще более сильное магнитное поле.

Так создается электромагнит.

Магнитное поле вокруг индуктора зависит от силы тока. Итак, когда меняется ток, меняется магнитное поле.

Когда магнитное поле изменяется, на выводах индуктора создается напряжение, которое препятствует этому изменению.

Для чего можно использовать индукторы?

В типичных схемах для начинающих не так уж часто можно увидеть дискретные индукторы. Так что, если вы только начинаете, вы, вероятно, еще не встретите их.

Но они очень распространены в блоках питания. Например, для создания понижающего или повышающего преобразователя. И они распространены в радиосхемах для создания генераторов и фильтров.

Но гораздо чаще вы встретите электромагниты. И они в основном индукторы. Вы найдете их практически во всем, что движется от электричества. Например, реле, двигатели, соленоиды, динамики и многое другое.

А трансформатор - это, по сути, две катушки индуктивности, намотанные на один и тот же сердечник.

Если вы хотите узнать, как работают другие электронные компоненты, перейдите к основным компонентам в электронике.

Что такое индуктор? - ES Components

Катушка индуктивности , также называемая катушкой , дросселем или реактором , представляет собой пассивный двухконтактный электрический компонент, который накапливает энергию в магнитном поле, когда через него протекает электрический ток. Индуктор обычно состоит из изолированного провода, намотанного в катушку вокруг сердечника.

Когда ток, протекающий через индуктор, изменяется, изменяющееся во времени магнитное поле индуцирует в проводнике электродвижущую силу ( э.д.с. ) (напряжение), описываемую законом индукции Фарадея. Согласно закону Ленца, индуцированное напряжение имеет полярность (направление), которая противодействует изменению тока, который его создал. В результате катушки индуктивности препятствуют любым изменениям тока через них.

Катушка индуктивности характеризуется своей индуктивностью, которая представляет собой отношение напряжения к скорости изменения тока.В Международной системе единиц (СИ) единицей индуктивности является генри (Н), названный в честь американского ученого 19 века Джозефа Генри. При измерении магнитных цепей он эквивалентен Веберу / Амперу. Индукторы имеют значения, которые обычно находятся в диапазоне от 1 мкГн (10-6 Гн) до 20 Гн. Многие индукторы имеют магнитный сердечник из железа или феррита внутри катушки, который служит для увеличения магнитного поля и, следовательно, индуктивности. Наряду с конденсаторами и резисторами, индукторы являются одним из трех пассивных элементов линейной цепи, составляющих электронные схемы.Индукторы широко используются в электронном оборудовании переменного тока (AC), особенно в радиооборудовании. Они используются для блокировки переменного тока, позволяя проходить постоянному току; индукторы, предназначенные для этой цели, называются дросселями. Они также используются в электронных фильтрах для разделения сигналов разных частот и в сочетании с конденсаторами для создания настроенных цепей, используемых для настройки радио и ТВ-приемников.

Катушки индуктивности широко используются в аналоговых схемах и обработке сигналов. Применения варьируются от использования больших катушек индуктивности в источниках питания, которые в сочетании с фильтрующими конденсаторами устраняют пульсации, кратные частоте сети (или частоте переключения для импульсных источников питания) на выходе постоянного тока, до небольшой индуктивности. ферритовой бусины или торца, установленных вокруг кабеля, чтобы предотвратить передачу радиочастотных помех по проводу.Индукторы используются в качестве накопителя энергии во многих импульсных источниках питания для выработки постоянного тока. Катушка индуктивности подает энергию в схему для поддержания протекания тока в периоды выключения и позволяет создавать топографии, в которых выходное напряжение выше входного.

Источник: Википедия

Цепи индуктивности переменного тока | Реактивное сопротивление и импеданс - индуктивный

Резисторы и катушки индуктивности

Катушки индуктивности ведут себя иначе, чем резисторы.В то время как резисторы просто препятствуют прохождению тока через них (снижая напряжение, прямо пропорциональное току), индукторы противодействуют изменениям тока через них, понижая напряжение, прямо пропорциональное скорости изменения тока .

В соответствии с законом Ленца это индуцированное напряжение всегда имеет такую ​​полярность, чтобы поддерживать ток на его текущем значении. То есть, если ток увеличивается по величине, индуцированное напряжение будет «противодействовать» току; если ток уменьшается, полярность изменится на противоположную и «подтолкнет» ток, чтобы противодействовать уменьшению.

Это противодействие изменению тока называется реактивным сопротивлением , а не сопротивлением. Выражаясь математически, соотношение между падением напряжения на катушке индуктивности и скоростью изменения тока через катушку индуктивности выглядит следующим образом:

Переменный ток в простой индуктивной цепи

Выражение di / dt - это выражение из расчетов, означающее скорость изменения мгновенного тока (i) во времени в амперах в секунду.

Индуктивность (L) измеряется в Генри, а мгновенное напряжение (е), конечно, выражается в вольтах. Иногда вы можете встретить скорость мгновенного напряжения, выраженную как «v» вместо «e» (v = L di / dt), но это означает то же самое.

Чтобы показать, что происходит с переменным током, давайте проанализируем простую цепь индуктивности:

Чистая индуктивная цепь: ток индуктора отстает от напряжения индуктора на 90 °.

Если бы мы изобразили ток и напряжение для этой очень простой схемы, это выглядело бы примерно так:

Чистая индуктивная цепь, формы сигналов.

Помните, что падение напряжения на катушке индуктивности является реакцией на изменение тока через нее на .

Следовательно, мгновенное напряжение равно нулю всякий раз, когда мгновенный ток находится на пике (нулевое изменение или наклон уровня на синусоидальной волне тока), а мгновенное напряжение находится на пике везде, где мгновенный ток имеет максимальное изменение (точки крутизны на текущей волне, где она пересекает нулевую линию).

Это приводит к появлению волны напряжения, сдвинутой по фазе на 90 ° с волной тока. Глядя на график, кажется, что волна напряжения имеет «фору» по сравнению с волной тока; напряжение «опережает» ток, а ток «отстает» от напряжения.

Ток отстает от напряжения на 90 ° в чисто индуктивной цепи.

Все становится еще интереснее, когда мы строим график мощности для этой схемы:

В чисто индуктивной цепи мгновенная мощность может быть положительной или отрицательной.

Поскольку мгновенная мощность является произведением мгновенного напряжения и мгновенного тока (p = ie), мощность равна нулю, когда мгновенный ток или напряжение равно нулю. Если мгновенный ток и напряжение положительные (над линией), мощность положительная.

Как и в примере с резистором, мощность также положительна, когда мгновенные ток и напряжение отрицательны (ниже линии).

Однако, поскольку волны тока и напряжения сдвинуты по фазе на 90 °, бывают моменты, когда одна из них положительна, а другая - отрицательна, что приводит к одинаково частым возникновению отрицательной мгновенной мощности .

Что такое отрицательная сила?

Но что означает отрицательная мощность ? Это означает, что катушка индуктивности возвращает мощность в цепь, в то время как положительная мощность означает, что она поглощает мощность из цепи.

Поскольку положительные и отрицательные циклы мощности равны по величине и продолжительности с течением времени, индуктор возвращает обратно в цепь столько же мощности, сколько потребляет в течение полного цикла.

В практическом смысле это означает, что реактивное сопротивление катушки индуктивности рассеивает нулевую полезную энергию, в отличие от сопротивления резистора, который рассеивает энергию в виде тепла.Имейте в виду, это только для идеальных катушек индуктивности, у которых нет сопротивления провода.

Реактивное сопротивление в зависимости от сопротивления

Противодействие катушки индуктивности изменению тока приводит к противодействию переменному току в целом, который по определению всегда изменяется по мгновенной величине и направлению.

Это сопротивление переменному току аналогично сопротивлению, но отличается тем, что оно всегда приводит к сдвигу фаз между током и напряжением и рассеивает нулевую мощность.Из-за различий он имеет другое название: реактивное сопротивление . Реактивность по переменному току выражается в омах, как и сопротивление, за исключением того, что его математический символ - X вместо R.

Чтобы быть конкретным, реактивное сопротивление, связанное с катушкой индуктивности, обычно обозначается заглавной буквой X с буквой L в качестве нижнего индекса, например: X L .

Поскольку напряжение на индукторах падает пропорционально скорости изменения тока, они будут снижать большее напряжение для более быстро изменяющихся токов и меньшее напряжение для более медленно изменяющихся токов.Это означает, что реактивное сопротивление в Ом для любой катушки индуктивности прямо пропорционально частоте переменного тока. Точная формула для определения реактивного сопротивления выглядит следующим образом:

Если мы подвергнем индуктор 10 мГн воздействию частот 60, 120 и 2500 Гц, он проявит реактивные сопротивления, указанные в таблице ниже.

Реактивное сопротивление катушки индуктивности 10 мГн:
Частота (Герцы) Реактивное сопротивление (Ом)
60 3.7699
120 7,5398
2500 157.0796

В уравнении реактивного сопротивления термин «2πf» (все в правой части, кроме L) имеет особое значение. Это количество радиан в секунду, на которое «вращается» переменный ток, если вы представите себе один цикл переменного тока, представляющий вращение полного круга.

радиан - единица измерения угла: в одном полном круге 2π радиана, так же как в полном круге 360 °.Если генератор переменного тока является двухполюсным, он будет производить один цикл на каждый полный оборот вала, что составляет каждые 2π радиан или 360 °.

Если эту константу 2π умножить на частоту в герцах (циклов в секунду), результатом будет число в радианах в секунду, известное как угловая скорость системы переменного тока .

Угловая скорость в системах переменного тока

Угловая скорость может быть представлена ​​выражением 2πf или ее собственным символом, строчной греческой буквой омега, которая похожа на нашу строчную римскую букву «w»: ω.Таким образом, формула реактивного сопротивления X L = 2πfL также может быть записана как X L = ωL.

Следует понимать, что эта «угловая скорость» является выражением того, насколько быстро колеблются колебания переменного тока, полный цикл равен 2π радиан. Это не обязательно отражает фактическую скорость вала генератора переменного тока.

Если генератор имеет более двух полюсов, угловая скорость будет кратной скорости вала. По этой причине ω иногда выражается в единицах электрических радиан в секунду, а не в (простых) радианах в секунду, чтобы отличить его от механического движения.

Как бы мы ни выразили угловую скорость системы, очевидно, что она прямо пропорциональна реактивному сопротивлению в катушке индуктивности. По мере увеличения частоты (или скорости вала генератора переменного тока) в системе переменного тока индуктор будет оказывать большее сопротивление прохождению тока, и наоборот.

Переменный ток в простой индуктивной цепи равен напряжению (в вольтах), деленному на индуктивное реактивное сопротивление (в омах), точно так же, как переменный или постоянный ток в простой резистивной цепи равен напряжению (в вольтах), деленному на сопротивление (в Ом).Пример схемы показан здесь:

Индуктивное сопротивление

Фазовые углы

Однако нужно иметь в виду, что здесь напряжение и ток не совпадают по фазе. Как было показано ранее, напряжение имеет фазовый сдвиг + 90 ° по отношению к току. Если мы представим эти фазовые углы напряжения и тока математически в виде комплексных чисел, мы обнаружим, что сопротивление катушки индуктивности току также имеет фазовый угол:

Ток в катушке индуктивности отстает от напряжения на 90 °.

Математически мы говорим, что фазовый угол сопротивления катушки индуктивности току равен 90 °, что означает, что сопротивление катушки индуктивности току является положительной мнимой величиной. Этот фазовый угол реактивного противодействия току становится критически важным при анализе цепей, особенно для сложных цепей переменного тока, где реактивное сопротивление и сопротивление взаимодействуют.

Будет полезно представить любое сопротивление компонента току в терминах комплексных чисел, а не скалярных величин сопротивления и реактивного сопротивления.

ОБЗОР:

  • Индуктивное реактивное сопротивление - это противодействие, которое индуктор предлагает переменному току из-за сдвинутого по фазе накопления и высвобождения энергии в его магнитном поле. Реактивное сопротивление обозначается заглавной буквой «X» и измеряется в омах, как и сопротивление (R).
  • Индуктивное реактивное сопротивление можно рассчитать по следующей формуле: X L = 2πfL
  • Угловая скорость цепи переменного тока - это еще один способ выразить ее частоту в единицах электрических радиан в секунду вместо циклов в секунду.Его символизирует строчная греческая буква «омега» или ω.
  • Индуктивное сопротивление увеличивается с увеличением частоты . Другими словами, чем выше частота, тем сильнее она противодействует потоку электронов переменного тока.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ЛИСТЫ:

Идите вперед, подключите катушку индуктивности и конденсатор и посмотрите, что произойдет

Что произойдет, если вы включите в цепь катушку индуктивности и конденсатор? Что-то классное - и действительно важное.

Что такое индуктор?

Вы можете изготавливать всевозможные типы индукторов, но наиболее распространенным типом является цилиндрическая катушка с проволокой - соленоид.

Когда ток проходит через первый контур, он создает магнитное поле, которое проходит через другие контуры. Магнитные поля на самом деле ничего не делают, если их величина не меняется. Изменяющееся магнитное поле создаст электрическое поле в других контурах. Направление этого электрического поля вызывает изменение электрического потенциала, действующего как батарея.

В конце концов, у нас есть устройство, разность потенциалов которого пропорциональна скорости изменения тока во времени (поскольку ток создает магнитное поле).Это можно записать как:

В этом уравнении следует указать на два момента. Во-первых, у L это индуктивность. Это зависит только от геометрии соленоида (или любой другой формы), и его значение измеряется в единицах Генри. Во-вторых, есть отрицательный знак. Это означает, что изменение потенциала на катушке индуктивности препятствует изменению тока.

Как индуктор ведет себя в цепи? Если у вас постоянный ток, то нет никаких изменений (постоянный ток) и, следовательно, нет разницы потенциалов на катушке индуктивности - он действует так, как будто ее даже нет.Если есть ток высокой частоты (цепь переменного тока), то на индукторе будет большая разность потенциалов.

Что такое конденсатор?

Опять же, существует множество различных конфигураций конденсатора. В простейшей форме используются две параллельные проводящие пластины с электрическим зарядом на каждой пластине (но с нулевым чистым зарядом).

Электрический заряд на этих пластинах создает электрическое поле внутри конденсатора. Поскольку существует электрическое поле, также должно происходить изменение электрического потенциала на пластинах.Величина этой разности потенциалов зависит от количества заряда. Разность потенциалов на конденсаторе может быть записана как:

Здесь C - значение емкости в фарадах - это также зависит только от физической конфигурации устройства.

Если в конденсатор идет ток, величина заряда на пластинах изменится. Если есть постоянный (или низкочастотный) ток, этот ток будет продолжать добавлять заряд к пластинам для увеличения электрического потенциала, так что со временем этот потенциал в конечном итоге будет действовать как разомкнутая цепь с напряжением конденсатора, равным напряжению батареи ( или блок питания).Если у вас высокочастотный ток, заряд будет как добавляться, так и сниматься с пластин конденсатора без накопления заряда, и конденсатор будет действовать так, как будто его даже нет.

Что происходит, когда вы соединяете конденсатор и катушку индуктивности?

Предположим, мы начинаем с заряженного конденсатора и подключаем его к катушке индуктивности (в цепи нет сопротивления, потому что я использую идеальные физические провода). Подумайте о том моменте, когда эти двое связаны. Предположим, есть переключатель, тогда я могу нарисовать следующие схемы.

Вот что происходит. Во-первых, нет тока (поскольку переключатель разомкнут). Когда переключатель замкнут, может возникнуть ток, и без сопротивления этот ток будет подскакивать до бесконечности. Однако такое большое увеличение тока означает, что на индукторе произойдет изменение электрического потенциала. В какой-то момент изменение потенциала на катушке индуктивности будет больше, чем на конденсаторе (поскольку конденсатор теряет заряд с течением тока), а затем ток изменит направление и зарядит конденсатор обратно.Процесс повторяется - бесконечно, поскольку нет сопротивления.

Моделирование LC-цепи.

Это называется LC-цепью, потому что в ней есть катушка индуктивности (L) и конденсатор (C) - я думаю, это очевидно. Изменение электрического потенциала вокруг всей цепи должно быть нулевым (потому что это петля), чтобы я мог написать:

Учебное пособие по индуктору: Работа и как использовать в практических схемах

Индуктор - это пассивный компонент в электронике, который считается самым важным после резисторов и конденсаторов.Говоря об индукторах, это не что иное, как проволока, плотно намотанная на сердечник. Это руководство написано, чтобы дать хорошее представление о работе индукторов и их использовании в практических схемах. В этом руководстве рассматриваются три важных вопроса, которые могут возникнуть у энтузиастов об индукторах.

  1. Что такое индуктор? - 3 минуты
  2. Как работает индуктор? - 5 минут
  3. Как использовать их в схемах? - 7 минут

К концу этого руководства вы получите хорошее представление о работе индукторов.Также вы сможете распознать использование индукторов в любых цепях, которые вы увидите. Вы можете ознакомиться с нашими руководствами по другим компонентам

ЧТО ТАКОЕ ИНДУКТОР

Как уже говорилось, индуктор - это не что иное, как изолированный провод, плотно намотанный на сердечник. Этот сердечник может быть из ферромагнитного материала или пластмассы или, в некоторых случаях, полый (воздушный). Это основано на принципе «Магнитный поток возникает вокруг проводника с током» . Если вы знаете о конденсаторах, вы должны знать, что конденсатор накапливает энергию, накапливая на своих пластинах одинаковые и противоположные заряды.Точно так же индуктор накапливает энергию в виде магнитного поля, развивающегося вокруг него. Катушки индуктивности по-разному реагируют на переменный и постоянный ток. Но прежде чем углубиться в «Работу индукторов». Посмотрим на его конструкцию и характеристики.

КОНСТРУКЦИЯ ИНДУКТОРА:

Индуктор

довольно просто собрать из всех других компонентов, используемых в электронике. Вот руководство по созданию простого индуктора. Все, что требуется, - это изолированный провод и материал сердечника, чтобы намотать катушку.Сердечник - это не что иное, как материал, на который намотана проволока, как показано на диаграмме выше. Существуют различные типы индукторов в зависимости от материала сердечника, из которого они изготовлены. Некоторые из распространенных материалов сердечника - это железо, ферромагниты и т. Д. Помимо типов материала сердечника, он бывает разных размеров и форм: циклиндрический, стержневой, торроидный и листовой. В отличие от этого есть также индукторы, у которых нет физических ядер. Они известны как индукторы с полым сердечником или воздушным сердечником. Ядро играет важную роль в изменении индуктивности индуктора.

КАК РАБОТАЕТ ИНДУКТОР

Начнем с констатации того факта, что «Магнитный поток будет развиваться через проводник с током». Точно так же, когда ток подается через индуктор, вокруг него создается магнитный поток. Другими словами, энергия, приложенная к индуктору, сохраняется в виде магнитного потока. Направление развиваемого магнитного потока будет противоположным направлению потока тока. Поэтому индукторы сопротивляются резкому изменению тока, протекающего через них.Эта способность индуктора называется индуктивностью, и каждый индуктор будет иметь некоторую индуктивность. Это обозначается символом L и измеряется в Генри.

Индуктивность индуктора зависит от формы катушки, количества витков обмотки на сердечнике, площади сердечника и коэффициента проницаемости материала сердечника. Индуктивность индуктора равна

.

L = мкН 2 А / л

L - Индуктивность катушки

μ - Проницаемость материала сердечника

A - Площадь змеевика в квадратных метрах

N - Количество витков в катушке

л - Средняя длина змеевика в метрах

ИНДУКТОРЫ В ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА:

Как было сказано ранее, индуктор действует иначе, чем переменный ток, по сравнению с источником сигнала постоянного тока.Когда сигнал переменного тока подается на индуктор, он создает магнитное поле, которое изменяется во времени, потому что ток, создающий поле, сам изменяется во времени. Это явление согласно закону Фарадея вызывает самоиндуцированное напряжение на индукторе. Это самоиндуцированное напряжение обозначается V L . Фактически, напряжение, возникающее на катушке индуктивности, действует в направлении, противоположном току, сопротивляющемуся им. Это напряжение на индукторе определяется формулой

.

В L = L di / dt

VL - Напряжение самоиндукции

di / dt - Изменение тока относительно времени

Если 1 ампер тока по отношению к одной секунде, когда он протекает через один индуктор Генри, разовьется на 1 В.Теперь вы видите, как ток, протекающий через катушку индуктивности, влияет на развиваемое на ней напряжение. Это возникающее напряжение действует противоположно току, протекающему через индуктор.

V-I ХАРАКТЕРИСТИКИ ИНДУКТОРА:

Давайте лучше поймем вышеупомянутые концепции, обратившись к характеристической кривой VI индуктора. Когда положительный цикл сигнала переменного тока проходит через индуктор, ток увеличивается. Мы знаем, что Inductor ненавидит изменения тока, поэтому он вырабатывает индуцированное напряжение, которое действует против тока, вызывающего его.На графике выше при 0 ° вы можете увидеть, что индуцированное напряжение будет максимальным, когда ток начнет расти. Как только ток достигает максимума, индуцированное напряжение становится отрицательным, чтобы предотвратить уменьшение тока.

Этот цикл повторяется, и из приведенного выше графика мы можем видеть, что индуцированное напряжение, возникающее в индукторе, будет действовать против изменяющегося тока, протекающего через него. А здесь напряжение и ток сдвинуты по фазе на 90 °. Таким образом, с сигналом переменного тока индуктор накапливает и высвобождает энергию в виде магнитного поля в непрерывном цикле.

ИНДУКТОР В ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА:

Теперь у нас есть представление о том, как индуктор работает с источником сигнала переменного тока. Давайте посмотрим, как он реагирует при использовании с источником сигнала постоянного тока. Напомним, формула наведенного напряжения на индукторе равна

.

В L = L di / dt

При использовании источника сигнала постоянного тока изменение тока во времени будет равно нулю, в результате чего индуцированное напряжение на индукторе будет равно нулю. Проще говоря, в цепях постоянного тока индуктор ведет себя как простой простой провод с некоторым сопротивлением, вызванным его проводом.Но это еще не все, когда в практических схемах используется индуктор с источником сигнала постоянного тока. В практических схемах будет короткий период времени, необходимый току для достижения максимального значения от нуля. В этот момент на индукторе будет индуцированное напряжение, которое будет отрицательным максимумом, когда ток начнет двигаться от нуля до максимального значения. Как только ток достигает стабильного состояния постоянного тока, индуцированное напряжение резко падает до нуля и обнуляется. Этот короткий промежуток индуцированного напряжения будет проявляться как всплеск напряжения на индукторе при использовании с источником сигнала постоянного тока.

ИНДУКТИВНАЯ РЕАКТИВНОСТЬ:

Еще одна важная вещь, которую нужно знать об индукторах, - это реактивность. Это резистивное свойство, проявляемое такими компонентами, как конденсатор и индуктор для сигнала переменного тока. Реактивное сопротивление, отображаемое индуктором, называется индуктивным реактивным сопротивлением и выражается формулой

.

X L = 2πFL

Из уравнения вы можете вывести, что реактивное сопротивление увеличивается с частотой сигнала переменного тока, помните, что индуктор ненавидит изменение тока, поэтому он демонстрирует большее реактивное сопротивление к высокочастотным сигналам.Тогда как, когда частота близка к нулю или сигнал постоянного тока проходит через реактивное сопротивление становится равным нулю, действуя как проводник для прохождения входного сигнала.

ПРИМЕНЕНИЕ ИНДУКТОРА

Теперь мы прошли немного скучную и расплывчатую рабочую часть индуктора. Давайте узнаем, как использовать индукторы в схемах. Для этого давайте взглянем на его приложения. Применение индуктора - самая захватывающая часть этого руководства. В этом разделе обсуждаются наиболее важные приложения / схемы, в которых используется индуктор.Если вы где-нибудь найдете индуктор в цепи, велика вероятность, что он подпадает под одно из следующих применений индукторов.

ОСЦИЛЛЯТОРЫ / НАСТРОЕННЫЕ ЦЕПИ:

Это схемы, которые используются в радиопередатчиках, приемниках, генераторах и приложениях, где важен выбор частоты. Здесь индуктор работает вместе с конденсатором. Если вы знаете о работе конденсатора, вы знаете, что он демонстрирует высокое реактивное сопротивление к низкочастотным сигналам, тогда как индуктор предлагает высокое реактивное сопротивление к высокочастотным сигналам.В этой схеме значение индуктора и конденсатора должно быть выбрано таким образом, чтобы обеспечить равное реактивное сопротивление при заданной входной частоте. Это состояние называется разумной частотой, а соответствующая частота называется разумной частотой. В Reasonance эта схема способна генерировать сигналы соответствующей частоты, чтобы действовать как осциллятор или принимать сигналы этой частоты из сложного сигнала.

Когда конденсатор в этой цепи заряжается, он накапливает заряды между пластинами.После отключения питания ток от конденсатора проходит через индуктор, в результате чего вокруг него создается магнитное поле. К этому времени заряд, хранящийся в конденсаторе, будет исчерпан, и ток перестанет течь к индуктору. Как мы знаем, индуктор любит постоянный ток, и в результате он будет пытаться поддерживать постоянный ток, сжимая свое магнитное поле и позволяя току течь обратно к конденсатору. Конденсатор снова будет полностью заряжен. Заряд течет назад и вперед между конденсатором и индуктором, что приводит к генерации сигнала фиксированной разумной частоты.

Причина определяется по формуле f 0 = 1 / 2π√ (LC)

ОГРАНИЧИТЕЛЬ ПУСКОВОГО ТОКА:

Пусковые токи, также известные как импульсный ток или входной импульсный ток, в значительной степени способны разрушать цепи. Это мгновенные токи, потребляемые нагрузкой или электрическим устройством при их включении. Поразительно, что этот пусковой ток может быть в 40-50 раз выше, чем ток в установившемся режиме, и потенциально способен разрушать устройства.Пусковой ток обычно возникает из-за мгновенного высокого тока, необходимого для работы конденсаторов большой емкости, трансформаторов, которые должны быть защищены от попадания в оборудование.

Индуктор - широко распространенный способ предотвращения повреждения цепи пусковым током. Когда цепь включена, течет мгновенный сильный ток, который изменяется во времени. Индуктор противодействует этому изменению тока, создавая вокруг себя магнитное поле, которое создает самоиндуцированное напряжение, которое противодействует этому высокому току от источника питания.Через некоторое время, когда ток возвращается в установившееся состояние, магнитное поле схлопывается и высвобождает накопленную энергию в цепь в виде тока. Как только ток станет постоянным, индуктор больше не будет противодействовать ему и предлагает свободный путь току, протекающему через него.

ФИЛЬТРЫ:

Это особый тип цепей, используемых для фильтрации или устранения сигналов нежелательной частоты, которые позволяют сигналам проходить только в желаемых пределах. Используя индуктор вместе с пассивными компонентами, такими как резистор и конденсатор, мы можем создать три различных типа фильтров, которые могут служить нашей цели фильтрации сигнала.

ФИЛЬТР НИЗКОГО ПРОХОДА:

Как следует из названия, этот фильтр используется в схемах, где вам необходимо отфильтровать сигналы с частотой выше, чем частота среза из входящего сигнала. Термин частота среза относится к пределу частоты, установленному значением компонентов, используемых в этом фильтре. Итак, здесь значение индуктора и резистора определяет частоту среза. Этот фильтр разрешает сигнал, частота которого ниже этого предела среза и выше этого предела, будет блокироваться этим фильтром.

В этом фильтре происходит то, что когда входящий сигнал имеет высокую частоту, реактивное сопротивление индуктора будет очень высоким. Реактивное сопротивление определяется значением индуктивности и частотой, как мы видели в формуле X L = 2πFL. Катушка индуктивности вместе с резистором образует делитель напряжения, где при более высокой частоте реактивное сопротивление (сопротивление) индуктора будет выше. Более высокое реактивное сопротивление позволяет индуктору эффективно ослаблять сигналы, и поэтому на выходе будет нулевое или близкое к нулю напряжение.

Частота среза этого фильтра нижних частот может быть рассчитана с использованием f c = R / 2πL

ФИЛЬТР ВЫСОКОГО ПРОХОДА:

Здесь в этом фильтре верхних частот поменяны местами индуктор и резистор. Этот фильтр пропускает только высокочастотные сигналы, в отличие от фильтра нижних частот. Здесь разрешены сигналы с частотой выше частоты среза. А сигналы с частотой ниже этой будут ослабляться / блокироваться. Когда сигнал низкой частоты проходит через цепь, реактивное сопротивление индуктора будет очень низким по сравнению с сопротивлением резистора, поэтому падение напряжения на резисторе будет очень высоким, а выходной сигнал будет нулевым или близким к нулю.

Когда через цепь проходит высокочастотный сигнал, индуктор демонстрирует высокое реактивное сопротивление по сравнению с резистором R1. Следовательно, резистор обеспечивает очень меньшее затухание для входящих сигналов, благодаря чему высокочастотные сигналы достигают выхода с очень меньшим или нулевым затуханием. Таким образом пропускается высокочастотный сигнал, а низкочастотный сигнал блокируется.

Частоту среза этого фильтра можно рассчитать, используя f c = R / 2πL

ПОЛОСНЫЙ ПРОХОДНОЙ ФИЛЬТР:

В этом фильтре через них может проходить только полоса частот, и все, что находится за пределами этой частоты, будет отклонено.В отличие от фильтра низких и высоких частот, полосовой фильтр имеет две частоты среза. Будет разрешено проходить только верхнюю и нижнюю частоту среза и сигнал частоты между этими частотами.

Работа этого фильтра в основном зависит от параллельно подключенных индуктора и конденсатора. Это контур резервуара, как мы видели ранее в настроенном контуре. Если вы помните, что вы видели в разделе "Настроенная схема", то резонансная частота - это частота, при которой реактивное сопротивление индуктора и конденсатора на входящий сигнал будет одинаковым.Реактивное сопротивление, определяемое парой индуктивности и конденсатора, будет высоким по сравнению с сопротивлением резистора, когда входящий сигнал близок к разумной частоте или около нее. Следовательно, полоса частот, близкая к разумной, будет проходить через фильтр. Частоты вне этого диапазона будут заблокированы.

УСИЛИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ:

Бустеры напряжения - это схемы, которые используются для повышения входящего напряжения до определенного уровня. Он показывает более высокое выходное напряжение, чем входное.Катушки индуктивности являются наиболее важным элементом в схемах повышения напряжения из-за их способности создавать самоиндуцированную ЭДС при протекании через них тока переменного тока. Выше показана типичная схема усилителя, в которой на индуктор подается постоянный ток. С другой стороны, к нему подключен полевой МОП-транзистор. MOSFET будет включаться и выключаться с постоянными интервалами от источника сигнала.

Когда MOSFET включен, ток течет от источника питания к индуктору, а затем проходит через MOSFET.Это создает магнитный поток, а также самоиндуцированное напряжение на индукторе. Когда MOSFET выключен с помощью источника сигнала, это приводит к уменьшению протекания тока. Индуктор теперь будет пытаться поддерживать постоянный ток. В результате самоиндуцированное напряжение переключает полярность, заставляя его действовать как напряжение, последовательно подключенное к источнику питания G1.

Это комбинированное напряжение (напряжение от источника питания G1 и самоиндуцированное напряжение на L1) будет пропускать ток через диод и заряжать конденсатор до этого уровня напряжения.Когда полевой МОП-транзистор включается и выключается достаточно быстро, конденсатор будет сохранять это напряжение и показывать этот уровень напряжения на выходе. Таким образом, используя такие схемы, вы получите повышенное напряжение на выходе.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИНДУКТОРОВ:

  • Индуктор - это пассивный элемент, что означает, что он не может генерировать энергию самостоятельно.
  • Противодействует изменениям тока, протекающего через него.
  • Катушка индуктивности
  • обеспечивает путь с низким сопротивлением при подаче на нее сигнала постоянного тока.
  • При подаче сигнала переменного тока вокруг индуктора формируется магнитное поле, в результате чего возникает самоиндуцированное напряжение, которое противодействует изменению тока, протекающего через него.
  • В отличие от конденсатора, индуктор предлагает высокое сопротивление к высокочастотным сигналам и низкое реактивное сопротивление к низкочастотным сигналам.
  • Важные области применения индукторов - в радиопередатчиках, приемниках, источниках питания, фильтрах сигналов и т. Д.

Это в основном об индукторах и их применении в практических схемах.Мы предлагаем вам дважды прочитать это руководство по работе с индукторами и по применению, чтобы получить четкое представление об индукторах. Этот учебник, должно быть, помог вам определить цель использования индуктора в любых схемах в будущем. Есть также другие приложения Inductor, которые мы не рассмотрели в этом руководстве, но мы рассмотрим их в другом руководстве, которое будет опубликовано в ближайшие дни.

Здесь вы можете найти учебные материалы по другим электронным компонентам на нашем веб-сайте. В будущем мы будем публиковать больше электронных руководств.Подпишитесь на нашу рассылку новостей и следите за нами через каналы социальных сетей, чтобы получать регулярные обновления с нашего веб-сайта. Если у вас есть какие-либо сомнения, требующие разъяснения или дальнейшего объяснения, оставьте свои вопросы в поле для комментариев ниже. Или, если вы считаете, что мы упустили что-то важное в этом уроке, дайте нам знать, мы добавим их.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *