Indukcyjna nagrzewnica do zapieczonych gwintów

Pomimo znacznego postępu w technice problem z odkręcaniem zapieczonych połączań gwintowych nadal jest aktualny. Jeśli środki chemiczne nie pomagają pozostaje przecinak lub palnik acetylenowy, którego otwarty płomień jest często niepożądany. Przedstawiam niecodzienny sposób podgrzewania zapieczonej nakrętki metodą stosowaną w przemysłowych piecach indukcyjnych.

Historia ogrzewania materiałów przewodzących przy pomocy zjawisk indukcyjnych sięga początków XX wieku. Metoda ta jest nadal stosowana gdyż umożliwia ogrzanie materiału w sposób bezkontaktowy oraz bezpośredni czyli energia przekazywana jest bezpośrednio do ogrzewanego przedmiotu nagrzewając go od wewnątrz. Zwykle w zastosowaniach przemysłowych nagrzewanie indukcyjne stosowane jest do topienia metali, nadania im kowalności lub przeprowadzenia procesu hartowania. W artykule opisano nagrzewnicę indukcyjną, która umożliwia podgrzanie nakrętki z zapieczonym gwintem, w wyniku czego chwilowa zmiana jej średnicy umożliwi poluzowanie połączenia. Rozmiar: 27730 bajtów Przed budową nagrzewnicy indukcyjnej autor artykułu pragnie przestrzec mniej zaawansowanych budowniczych przed niebezpieczeństwami płynącymi z wielkości napięć i prądów w urządzeniu oraz zwraca uwagę, że przedmioty typu obrączka i zegarek z metalową bransoletą wystawione na działanie silnego pola elektromagnetycznego spowodują poważne oparzenia na ciele. Do prac uruchomieniowych zaleca się stosowanie autotransformatora oraz oscyloskopu umożliwiającego wstępne znalezienie częstotliwości rezonansowej. Nagrzewanie indukcyjne polega na przekazaniu energii pola elektromagnetycznego do przedmiotu będącego przewodnikiem przy pomocy sprzężenia elektromagnetycznego. Pole elektromagnetyczne przenikające przedmiot (wsad), który można potraktować jako zwój zwarty indukuje w nim prądy rozgrzewające materiał. Prądy te wywoływane są przez zjawiska wirowe w materiale oraz straty histerezowe materiału ferromagnetycznego. W materiałach żelaznych ciepło pochodzące z wielokrotnego przemagnesowywania przedmiotu stanowi główny czynnik wpływający na osiąganą temperaturę. Niestety w przypadku osiągnięcia punktu Curie dla czystego żelaza równego 770'C materiał przestaje być ferromagnetykiem i dalsze jego ogrzewanie może odbywać się tylko w wyniku oddziaływania prądów wirowych. Indukowane prądy we wsadzie są proporcjonalne do strumienia pola elektromagnetycznego, który to uzależniony jest od prądu płynącego w cewce wzbudzającej (wzbudnicy). Ażeby wywołać duże wartości prądów wzbudnicy dołącza się równolegle baterię kondensatorów i zasila prądem wysokiej częstotliwości, takiej aby w stworzonym w ten sposób układzie LC wywołać rezonans równoległy (rezonans prądów). Przy korzystnym wskaźniku dobroci Q można liczyć na znaczne przetężenie podczas rezonansu.

wzbudnica 129KB wzbudnica 129KB

Budowę należy rozpocząć od zbudowania wzbudnicy. W urządzeniu autora wykorzystano w tym celu obudowę suszarki do włosów i wklejono od przodu 12 zwojów rurki miedzianej o średnicy 6mm w izolacji igelitowej. Rurkę taką można kupić w warsztatach montujących instalacje gazowe LPG. Do cewki dołączono równolegle baterię jedenastu sztuk kondensatorów o wartości 100nF/400V. Ponieważ w układzie rezonansowym będą płynęły bardzo duże prądy więc należy stosować dobrej jakości kondensatory polipropylenowe. Autor użył kondensatorów polipropylenowych WIMA typu FKP1. Montując cewkę wzbudnicy należy przewidzieć możliwość chłodzenia wodą gdyż w czasie pracy cewka bardzo się nagrzewa i może dojść do nadtopienia igelitu i zwarć między uzwojeniami.Autor zastosował chłodzenie powietrzem z typowej pompki akwarystycznej. Nie jest to jednak wydajny sposób chłodzenia i nagrzewnica może pracować w zasadzie chwilowo z dłuższym okresem czasu potrzebnym na schłodzenie wzbudnika. Po zmontowaniu wzbudnicy należy określić przy pomocy oscyloskopu częstotliwość rezonansową równoległego obwodu LC. Zasilamy go z generatora o zmiennej częstotliwości, dokonujemy pomiaru prądu i napięcia kanałem X i Y doprowadzając do zbliżenia ukośnych fragmentów przebiegu poprzez regulację częstotliwości. Można także zbadać napięcie na obwodzie LC zasilając go przebiegiem prostokątnym i obserwując oscyloskop regulujemy aż pojawi się czysta sinusoida o największej ampitudzie. Zdaniem autora najbardziej praktycznym zakresem częstotliwości rezonansowej jest zakres 50-80kHz. Jest on na tyle duży aby w miarę łatwo przesłać energię do wsadu i na tyle mały aby nie stwarzać problemów przy uruchamianiu urządzenia w.cz. Mając określoną częstotliwość rezonansową możemy ze wzoru: określić wartość indukcyjności. Wzbudnik autora ma ok. 4uH. Badanie małych wartości indukcyjności popularnymi miernikami RLC obarczone jest dużym błędem z uwagi na niewielką wartość mierzonej wielkości stąd określanie wartości L z częst. rezonansowej jest bardziej miarodajne.

płytka zasilacza i falownika 127KB Elektroniczna część prezentowanego urządzenia składa się z płytki zasilacza oraz płytki falownika pracującego w układzie pół mostka. Zasilacz zawiera mały transformator wraz ze stabilizatorem 12V oraz część wysokonapięciową gdzie napięcie przemienne o wartości ok. 150V jest prostowane i filtrowane kondensatorami C1 i C2. Na płytce zasilacza umieszczono przekaźnik K1, który zwiera rezystor ograniczający prąd rozruchowy transformatora TR2. Przekaźnik K1 sterowany jest przełącznikiem 3 pozycyjnym włączającym nagrzewnicę. Po zamontowaniu elementów na płytce należy dodatkowo pocynować ścieżki umożliwiając w ten sposób przepływ prądów o dużych wartościach.

schemat zasilacza 28KB strona druku 39KB strona elementów 39KB

Falownik wykonany przez autora pracuje w układzie half-bridge i zasila wzbudnicę prądem o regulowanej częstotliwości 78-81kHz. Za wytwarzanie przebiegu odpowiada popularny układ CD4046 zawierający w sobie układ VCO oraz detektor fazy z którego możliwości stabilizacyjnych nie będziemy korzystać. Układ falownika pracuje stabilnie i raz zadana ręcznie częstotliwość „nie pływa” zatem nie zdecydowano się na zautomatyzowanie rzeczy prostej. Zastosowanie generatora przestrajanego napięciem umożliwiło montaż potencjometru z dala od płytki i zwiększenie odporności na czynniki zakłócające. Przebieg o wypełnieniu 50/50 z wyjścia VCO podawany jest na wejście drivera IR2184. Układ ten charakteryzuje się przyzwoitymi parametrami prądowymi oraz posiada zaimplementowany tzw. Dead-Time czyli zabezpieczenie przed jednoczesnym przewodzeniem tranzystorów mocy sterujących naszym obciążeniem LC. Podanie +12V na JP1 (wyłącznik potencjometru?) spowoduje aktywowanie drivera IR2184 i wysterowanie tranzystorów mocy z częstotliwością generatora VCO. Układ elementów R3, R7 i C8 zabezpiecza wejście /SD przed drganiami styków z wejścia JP1. Jako tranzystory mocy zastosowano nowoczesne tranzystory IGBT typu HGTG12N60A4D, które mają dobre parametry czasowe oraz zawierają w strukturze superszybką diodę zwrotną. Układ półmostka domknięty jest kondensatorami polipropylenowymi 2,2uF/400V. Układ wzbudnicy zasilany jest poprzez dławik Lm dopasowujący małą impedancję wzbudnicy do dużej impedancji układu generującego oraz zabezpiecza przed przedostawaniem się częstotliwości harmonicznych pochodzących z przebiegu prostokątnego zasilającego wzbudnicę do układu LC wzbudnicy. Dzięki temu generator nie jest dodatkowo obciążany poborem prądów harmonicznych. Ponadto w przypadku zwarcia w układzie LC zabezpiecza on tranzystory mocy przed uszkodzeniem. W nagrzewnicy zbudowanej przez autora wykonano dławik Lm o indukcyjności 10x większej od wartości indukcyjności wzbudnicy tj. 40uH na rdzeniu 3C90 ETD44. Nawinięto 12 zwojów drutu emaliowanego 1mm i rozsunięto rdzeń na ok. 0,8mm uzyskując pomiar na mostku RLC równy 40uH. Elementy montujemy wg rys.4 nie zapominając o potrzebie wykonania kilku zworek z przewodu. Dławik Lm oraz diodę D1 montujemy od strony druku. Tranzystory IGBT montujemy po wstępnym uruchomieniu i mechanicznym zamontowaniu do radiatora.

schemat 31KB strona druku 42KB strona elementów 61KB

/uruchomienie/
Zmontowaną płytkę zasilacza podłączamy pod zasilanie 230V i sprawdzamy obecność napięcia +12V oraz działanie przekaźnika K1. Następnie do gniazda X5 płytki zasilacza dołączamy autotransformator i zwiększamy powoli napięcie do ok. 200V zwracając uwagę na kondensatory C1 i C2. Po odłączeniu autotransformatora do płytki zasilacza dołączamy falownik i sprawdzamy prawidłowe zasilanie układów CD4046 i IR2184 oraz występowanie żądanej częstotliwości na wyjściu VCO układu CD4046. W celu ustalenia zakresu generowanych częstotliwości jako C6 wstawiamy pojemność 220-680pF i zamiast rezystorów R4 i R5 wstawiamy potencjometry o wartościach odp. 1M i 470k. Po ustawieniu wybranego zakresu regulacji potencjometry usuwamy i w ich miejsce wstawiamy rezystory o stałej wartości. Teraz można zamontować tranzystory IGBT do radiatora. W urządzeniu autora wykorzystano podkładki ceramiczne oraz pastę silikonową. Po dokręceniu tranzystorów lutujemy je do płytki powlekając dodatkowo cyną ścieżki biorące udział w przepływie dużych prądów. W tym momencie należy zbudować układ wskazujący na występowanie w układzie LC rezonansu.Wystarczy równolegle do wzbudnicy podłączyć diodę LED z rezystorem 33k i dodatkowo diodę LED zabezpieczyć diodą prostowniczą włączoną przeciwrównolegle. Ustawiając częstotliwość generatora VCO potencjometrem R8 kierujemy się najjaśniejszym świeceniem diody LED. Po dostrojeniu możemy wypróbować naszą nagrzewnicę na kawałku metalowego pręta. Pręt po kilkunastu sekundach powinien rozgrzać się do czerwoności. Zależy to m.in. od wartości napięcia zmiennego transformatora mocy TR2 zasilającego układ falownika. Uruchomienie układu przy odrobinie uwagi nie przysparza problemów. Elementy mocy w czasie pracy są lekko ciepłe i układ pracuje stabilnie. Spisu elementów nie podaję aby zaniechęcić mniej dośwaidczonych elektroników. Z zwojnicy jest wywiercony mały otworek w przedniej częsci w celu chłodzenia wodą poprzez zanurzenie przed użyciem.

Dyskusja na forum elektroda.pl

Pliki Eagle