Primeiro, um pouco de teoria (Leia toda a página, e veja os problemas que são enfrentados pelo caminho, suas soluções, etc):

A segunda versão deste forno já está disponível, clique aqui para ver - Porém, todo o desenvolvimento está descrito nas 3 páginas a seguir.

A industria atualmente utiliza muito o aquecimento através de indução. Suas principais aplicações, no campo metalurgico são a fusão de metais e o tratamento térmico, afim de se obter um material com características mecânicas especiais que não se pode obter em estado bruto de fundição.
Dentre as principais vantagens podemos citar a limpeza, a menor contaminção do material a ser fundido/tratado, o custo do consumo de energia (este obviamente, depende da politica energética de cada país), etc;
As desvantagens são, principalmente o custo do equipamento, e também a periculosidade do equipamento, já que este deve ser operado por pessoa melhor qualificada, sendo que neste equipamento é necessário conhecimento do que deve ser feito em caso de falta de energia por exemplo, o operador deve saber que está trabalhando com equipamento que manuseia altas tensões e correntes, etc.
Você verá que é muito mais fácil derreter um material com resistência elétrica (baixas temperaturas, veja meu forno elétrico para derreter aluminio)/gás/óleo/lenha, do que com energia elétrica por indução, porém a qualidade final do metal, se torna muito superior no equipamento elétrico e consumo de energia, também muito menor.
Isso tanto é verdade, que indústrias menores possuem fornos a óleo, ou a carvão por necessidade, e indústrias maiores preferem fornos a indução, a não ser que o custo energético para o que se pretende seja  uma desvantagem, só aí usam grandes fornos a combustível fóssil.

Como mencionei, o forno elétrico para derreter (ou fundir) aluminio, chumbo, estanho que montei, é muito simples e pode ser montado por pessas sem qualquer experiência, utiliza resistência elétrica e aquece por contato. Devendo apenas o usuário ter o cuidado com as altas temperaturas.

Este forno que pretendo montar aquece por indução, ou seja, o material é aquecido sem contato com fontes de calor, chamas, etc; Seu rendimento é muito superior, porém, seu custo também é.
Para a montagem deste, será necessário conhecer de:
- Eletrônica básica  (associação de componentes, montagem de placas, etc;)
- Eletrônica digital   (Geração de frequência por PWM, análise de sinais, etc;)
- Eletrônica de potência (retificação de alta tensão, inversão de frequência, etc;)
- Inversores de frequência
- Circuitos Ressonantes (O assunto de dominio mais importante)
- Física (efeito joule / ponto de curie, etc;) Coisas do 2ºGrau, para ajudar no controle do forno.


É importante ler as seguintes fontes de pesquisa, pelo menos, eu recomendo:

http://www.dansworkshop.com/electricity-and-electronics/induction-heating.htm  aqui, no dan's workshop, há informações sobre o funcionamento de inversores, frequências, circuitos conceito, formas de onda, etc;

http://webpages.charter.net/dawill/tmoranwms/Elec_IndHeat1.html aqui na pagina do Tim Williams, mostra como ele montou um forno a indução, e as modificações que ele fez até o fim da montagem, um projeto muito bem elaborado.

http://www.richieburnett.co.uk/indheat.html outra pagina de extrema importancia, do Richie, explica muito bem como funciona o aquecimento por indução, com animações, circuitos conceito, e explicações sobre circuitos ressonantes.

http://www.albatherm.com.br/informativo/principios_basicos_aquecimento.asp Aqui tem um material básico, mais informativo, porém, é em português.




E finalmente, a página principal em que meu projeto se baseia:

O funcionamento é essencialmente o mesmo, fiz algumas modificações no circuito, e inclui algumas coisas, mas funciona da mesma maneira.

http://www.neon-john.net/Induction/heater.htm  

Nesta pagina, há um projeto muito simples, por ser simples e o único em que consegui componentes semelhantes aqui no Brasil, resolvi me basear neste projeto.
Utilizei este projeto da primeira página, para até 500W de potência, o John já abandonou este projeto e fez outros mais eficazes, porém, os componentes não estão disponíveis por aqui, e não encontrei equivalentes, mas de qualquer forma, o primeiro funciona.

Vou partir deste projeto, e depois vou melhorando conforme minha necessidade e disponibilidade, tanto de tempo como de peças disponíveis no Brasil.
Seguindo as dicas de outros sites, é fácil melhorar o que está funcionando.





Para a utilização do forno (deste e qualquer outro)
- Para que se deseja o forno (derreter? aquecer para fazer tratamento térmico?)
- Metalurgia do material e ser fundido ou tratado (Cada metal se comporta de uma maneira e possui suas características próprias)



O diagrama de blocos do forno que estou montando:


Como você pode ver no diagrama acima o forno é composto por:

Retificador de baixa tensão (15V x 1,5A):  este módulo é responsável por fornecer a baixa tensão que alimenta o gerador de frequência, o circuito driver dos IGBTs e o circuito de proteção que realiza o desarme por alta temperatura nos IGBTs, caso algum problema ocorra.

Circuito Gerador de frequência: este módulo gera a frequência em que o forno irá operar através de PWM a até 300KHz

Circuito Driver para os IGBTs: aqui é feito o controle dos IGBTs para oscilarem na frequência desejada.

Circuito de controle para desarme por alta temperatura nos IGBTs: Este circuito interrompe a alimentação do retificador de alta tensão, caso a temperatura nos IGBTs fique muito alta devido a algum problema (frequência fora de ressonância, problema no driver IGBT, etc;)  deve ser ajustado para que o desarme ocorra antes dos IGBTs atingirem a temperatura crítica de funcionamento.

Retificador de alta tensão (155Vcc x 40A): Este circuito retifica a tensão de rede, esta é a tensão que será entregue aos IGBTs, e consequentemente a bobina de indução. Apesar de em minha cidade o fornecimento ser em 220V, optei por trabalhar em 110V até ter total dominio do forno. De qualquer modo, começarei alimentando com apenas 30V, para poder realizar todos os ajustes sem causar nenhum dano ao circuito.

Circuito Inversor de Frequência - para até 300KHz, com IGBTs: Aqui é onde a alta tensão em corrente continua é tranformada em alternada na frequência desejada (desejamos a frequência em que o circuito bobina / banco de capacitores oscilem em ressonância)

Bobina de indução e Banco de capacitores: Nesta bobina é onde o metal será aquecido. O banco de capacitores será formado pela quantidade de capacitores necesários para que ocorra a ressonância na frequência desejada.


Não está no diagrama de blocos, mas em paralelo ao circuito de ressonância, coloquei um medidor de potência relativa para facilitar o ajuste.
O esquema dele estará disponível nos diagramas a seguir.



Agora, o esquema elétrico do forno, clique na imagem para fazer o download do esquema em .pdf:


Como se pode ver, em relação ao projeto do John, foi modificado muita coisa. Na verdade, a partir deste projeto ele partiu para um caminho, e eu para outro. Mas ambos funcionam,
na verdade, tive que adaptar muita coisa ao que há disponível no Brasil, e acabou tomando outro rumo no ponto de vista eletrônico.
Adicionei alguns componentes, e outros foram eliminados.                


Como funciona:

O Circuito integrado TL494 é um gerador de ondas PWM, era muito utilizado em fontes chaveadas de computador.
É um C.I. antigo, e portanto bem dominado em seus prós e contras, além de tudo isso, também é barato.
Ele gera o sinal PWM na frequência desejada, que pode ser controlada através da referência de tensão no pino 6.
Quanto maior a resistência que você colocar ali, menor será a frequência que ele irá gerar.

Além da frequência, o sinal possui uma largura de pulso, que é ajustado em P1. Essa largura de pulso irá determinar quanto tempo cada IGBT fica ligado,
neste circuito eles nunca devem ficar ligados ao mesmo tempo, ou seja, liga o IGBT1, e desliga o IGBT2, depois liga o IGBT2 e desliga o IGBT1, se o sinal
estiver mal distribuido, um IGBT irá aquecer mais do que o outro, e poderá queimar. Além disso, o sinal no circuito de saída estará fora de fase.
Se ficarem desligados juntos, o circuito perde rendimento, pois não estará alimentando a saída na frequência de ressonância.

O sinal gerado pelo TL494, serve como entrada para o IRS21844, que é um driver para IGBTs e MOSFETs, através do sinal de entrada ele distribui os sinais
para os IGBTs, na mesma frequência relativa a entrada, já com tensão e corrente suficientes para excitar o IGBT.
Utilizando um osciloscópio, ao medir o sinal na saída do TL 494, o mesmo sinal deve aparecer em frequência e forma de onda, nos gates dos IGBTs.


Não vou explicar o funcionamento de todos os circuitos ressonântes, quem quiser saber sobre outros circuitos, podem visitar os sites que menciono acima, não vou repetir informações que já estão disponíveis em outros lugares da web, senão a página ficará muito cansativa.


Vou me focar apenas neste, o circuito LCRL, este circuito possui um capacitor na entrada, em série, que serve para evitar a passagem de corrente contínua através do circuito ressonante (No meu caso, montado por 3 capacitores de 470nF x 400V em paralelo), e uma bobina em série que faz o casamento de impedância do circuito de entrada com o circuito de saída (2 voltas em uma toroide de ferrite), e este conjunto depende da frequência de ressonância em que se deseja trabalhar.
Então daí se parte para o banco de capacitores, e a bobina de trabalho, que fará o aquecimento na peça, alí os capacitores armazenam e despejam a energia para a bobina.

Tudo isso deve ser montado para a frequência desejada, ou seja, isso tudo que está no esquema, funciona para uma determinada frequência, se alterarmos a frequência, todo o circuito ressonânte muda junto.
Além disso, a frequência de ressonância se altera dependendo da carga.
Se nenhuma carga para ser aquecida estiver dentro da bobina, ela vai ressonar em uma frequência, quando se adiciona a carga, essa frequência muda, além de tudo isso, ela não muda sempre da mesma forma, depende se o material é de ferro, de cobre, de aluminio, etc; e depende também da quantidade.

Não é tão simples como se imagina, não é?
Mas também não tão complicado, na prática fica mais simples...
 







O material necessário (Vale sempre o esquema que está disponível, nem sempre esta lista está atualizada com o esquema):

Para fabricação:

        1 Placa de fenolite, simples de 9 x 20
        1 Caneta para desenhar as trilhas na placa
        1 Recipiente com Percloreto de Ferro Anidro, para corrosão da placa
        1 Soldador de 60W - Para soldar os fios e os componentes de potência
        1 Soldador de 25W - Para soldar os componentes
           Estanho
        1 Caixa para montagem

Para montagem:

        Do circuito retificador de baixa tensão:
              
                4 Diodos
                1 Capacitor eletrolitico de 6800uF x 25V
                1 Capacitor cerâmico de 100nF x 25V

         Do circuito gerador de frequência
               
                1  TL 494
                1  Soquete para o TL 494
                2  Capacitores cerâmicos de 100nF x 50V
                1  Capacitor cerâmico de 100nF x 50V
                1  Resistor de 5k6 x 1/8W
                1  Potenciômetro de 4k7
                1  Trimpot de 10K

         Do circuito Driver para os IGBTs
   
                1  IRS21844 PbF
                1  Soquete para o IRS21844Pbf
                2 Capacitores cerâmicos de 100nF x 50V
                1 Capacitor eletrolitico de 1uF x 50V
                1 Capacitor eletrolitico de 10uF x 100V
                2 Diodos de ação rápida MUR4100ERL
                8 Resistores de 47R x 1/4W

            Do retificador de alta tensão

                4  Diodos de potência 40EPS..PbF
                1  Capacitor eletrolitico de 1000uF x 400V

           Do circuito inversor de frequência

                2  IGBTs
                9 Capacitores de 470nF x 400V
                1 Capacitor eletrolitico 1000uF x 400V
                1 bobina para o casamento de impedâncias (irá variar conforme a frequência, mas sua montagem é simples)


            Do circuito de trabalho

                1 bobina feita de tubo de cobre (deve ser fabricada, e seu tamanho depende da frequência de ressonância desejada)
                Diversos capacitores de 470nF x 400V para o banco de capacitores, a quantidade exata eu colocarei aqui quando o
                                                 projeto estiver concluido, mas para trabalhar em 90KHz, estou usando 15 capacitores.



            Do Circuito de controle para desarme por alta temperatura nos IGBTs

                1 741
                1 Soquete para o 741
                1 Transistor BC 548
                1 Resistor de 22K (Pode ser substituido por trimpot, para melhor ajuste da temperatura ideal)
                1 Resistor de 4k7 x 1/8W
                2 Resistores de 12K x 1/8W
                1 Resistor de 1K x 1/8W
                1 Resistor de 1k2 x 1/8W
                1 Diodo 1N4148
                1 Relé de 12V x 40A                               



Muitos componentes são de valores repetitivos e são ligados em série/paralelo,
isso foi devido a dificuldade em conseguir o componente no valor necessário, então utilizei de associações.
De qualquer forma, todos os componentes admitem associações e equivalentes sem muitos problemas,
apenas se deve lembrar de obedecer as caracteristicas do circuito (Tensão, corrente, frequência, etc;)

É necessário radiadores de calor nos IGBTs e Diodos de potência.


Os desenhos da placa:
Este é o primeiro desenho da placa, na prática houveram algumas modificações e este desenho já não representa o circuito mostrado anteriormente.
Quando eu fizer outra placa, com lay-out melhorado, atualizo a página.

O Jumper que mencionei ali, é em relação ao TL494.
Também teve que ser colocado um Jumper, ligando o terra do inversor ao terra do circuito de controle.
Quem for fazer a placa, esteja ciente destes pequenos problemas que ocorreram, por esquecimento na hora de desenhar.
É conveniente fazer sua própria placa/projeto.
Veja, que no circuiot do Jonh, os terras são isolados, o mesmo ocorre no circuito conceito do data-sheet do IRS21844,
porém isso é um erro, os terras devem ser os mesmos.

Um Jumper também foi necessário, no circuito de saida, devido ao esquecimento na hora de fazer as trilhas.
os outros foram necessários por obrigação, não tive como percorrer outros caminhos.
Todos os componentes admitem equivalentes.



Aqui o lado cobreado:




A foto de todos os componentes na placa:


              


A placa e os blocos do diagrama:




Agora que a placa já está pronta e entendemos a função de cada parte que constitui este forno, vamos construir a bobina de trabalho,
e o banco de capacitores para atingir a ressonância na frequência desejada.









A Bobina foi feita com tubo de cobre, para que depois eu possa refrigerar o sistema com água, sim, ela aquecerá bastante,
e o mesmo acontece com os capacitores do banco de capacitores (a bobina trabalhará com mais de 100A).


A bobina, com medidas de altura e diâmetro:





Estando a bobina pronta, é necessário soldar o banco de capacitores,
Comecei com 5 capacitores de 470nF x 400V.
A foto abaixo, mostra a bobina, com 5 capacitores. Que neste caso, faz a ressonância a cerca de 180KHz, com um pequeno parafuso como carga
O VU-Meter que aparece na foto é de um antigo multimetro analógico que estava estragado. Aproveitei o VU-Meter para
fazer um indicador de potência relativa, entregue na bobina, assim, consigo encontrar qual a frequência de ressonância correta
para o circuito (esses multimetros custam menos de R$10,00 é mais barato que comprar o VU) .





Agora, mais um pouco de teoria:

Obviamente, com 180KHz o circuito funcionou já de forma adequada.
O uso de frequências mais altas, faz o aquecimento acontecer na parte superficial da carga que está na bobina, ou seja, aquece apenas a pele do material.
Com isso, o núcleo aquece por condução de calor da superficie para o centro.
Quanto menor a frequência, maior a penetração do campo magnético.
Porém, a coisa não é tão simples....
Para poder gerar uma ressonância em uma frequência menor, seriam necessários mais capacitores e portanto, encarece o projeto.

Como meu intuito é de no futuro derreter metais ferrosos, já aqui, baixei a frequencia para 90KHz,
com isso, foram necessários 15 Capacitores de 470nF x 400V.
E espero, baixar mais ainda a frequência, quando tiver acesso a mais capacitores (pelo menos 20KHz).

Para quem deseja apenas Têmpera por indução, a frequência mais alta é desejada, como estes 90KHz (depende da profundidade de têmpera, etc;).


Aqui, a foto da bobina de trabalho, desligada:


O potenciômetro que se vê na foto, é apenas para o ajuste de escala do indicador de potência relativa, costumo ajustar, com o circuito ligado,
para ficar no meio da escala no máximo de potência que eu conseguir, assim eu posso ver se estou melhorando o ajuste ou piorando com o passar do tempo.

Então, na máxima potência, meu medidor fica assim, sempre que melhoro algo e passo disso, faço o ajuste para voltar até o meio:


Assim, eu sei se estou melhorando a entrega de potência a bobina de trabalho, ou piorando.


Aqui a foto do parafuso sendo aquecido por indução:


Aqui a temperatura do parafuso, após cerca de 15 segundos:




Depois de 1 minuto e 30 segundos, consegui deixá-lo vermelho, ou seja, acima de 750C (Meu termometro infravermelho só marca até 550C)
A foto foi no escuro, porque com a luz ligada não aparecia tanto o vermelho.
Não aqueci acima deste ponto, porque o transformador que alimenta o circuito ressonante aqueceu muito e achei melhor desligá-lo até
encontrar um com maior tensão e corrente (Este era de 15+15V x 2A).


Veja, até aqui, coloquei 30V e 2A para alimentar o circuito ressonante.
O projeto, é para suportar tensões de até 155Vcc  (110Vca), e pode ser facilmente modificado para trabalhar em 310Vcc (220Vca)
Só não fiz isso, porque não tinha capacitores com tensão tão alta para retificar a alta tensão, os semicondutores envolvidos suportam até 600V.
então a maior dificuldade está "apenas" nos capacitores.

Agora, vou aumentar a tensão no circuito ressonante, devagar, ajustando o circuito para que não haja aquecimento excessivo até chegar
ao ponto que julgar o correto para o que pretendo.

Aqui está a foto de todo o circuito em minha bancada:

No canto superior esquerdo, há uma bobina, mas que ficou muito grande (pelo menos por enquanto)
A bobina e o parafuso de carga está em cima de um pedaço de tijolo refratário, pois a bancada quase pegou fogo, com o parafuso direto em cima
da bancada de madeira.
Os 2 potenciômetros ligados a placa de controle, servem, um para ajuste de frequência, e outro para a largura do pulso, este deve ser ajustado para
uma forma de onda em perfeitos 50% para caga IGBT. (este último foi substituído por um tripot, que fica na placa, em 26/06/2011)
Os dois transformadores que podem ser vistos, são, um para alimentar o circuito de controle, e outro, para alimentar o circuito ressonante (inversor).


A forma de onda na saida do gerador PWM ficou assim:












DIA 26/06/2011:


Hoje fiz modificações básicas no circuito. Apenas melhoramentos.

Veja como ficou a placa, no lado cobreado:



E aqui, como ficou a placa, no lado dos componentes:



Veja na foto acima, que nos IGBTs, eu coloquei um radiador de calor grande, refrigerado por um cooler. Tirei isto de um aparelho de
DVD sucateado que tinha aqui em casa.
Nos diodos retificadores de alta corrente, coloquei os radiadores que haviam nos IGBTs, são radiadores de antigas fontes chaveadas de PC.

Obviamente, o circuito não esquenta ainda a tal ponto. Mas sei que no futuro será importante (pretendo aumentar em pelo menos 10x a potência atual).
Os radiadores estão presos com parafusos, isolados, e com pasta térmica para melhorar a dissipação de calor.
Os fios trançados que se vê indo até o radiador, são do NTC que ao esquentar, desarmará o circuito de alta tensão, através de um relé.
O ponto de desarme está fixo em aprox. 50 Graus Celsius, ou seja, assim que o radiador chegar a esta temperatura, o circuito desarma.
É claro que os IGBTs suportam uma temperatura maior, mas trabalharei neste patamar até onde for possível.


A Seguir, fotos das medidas com que a Placa + Radiadores estão ficando, depois de tudo pronto, as medidas servirão para
dimensionar a caixa de montagem.





Na foto acima, é possível observar que também retirei o potenciometro que fazia o ajuste da largura de pulso.
Substitui por um trimpot, de 4k7, já que este ajuste não deve ser mais alterado (é ajustado com ajuda de um osciloscópio),
portanto, ficará fixo na placa.

O ajuste de frequência, ainda fica no potenciômetro, já que esta depende da carga e ressonância do conjunto, então será ajustado
pelo usuário, com a ajuda do medidor de intensidade relativa.

Eventualmente, quando o circuito for para uma caixa de instalação, colocarei algumas chaves com diferentes faixas de frequência.
Mas é idéia apenas para o futuro.

Eu não havia colocado antes, mas vai agora a foto da forma de onda no circuito ressonante
(Osciloscópio ligado diretamente ao banco de capacitores + bobina):
Observe, uma forma de onda senoidal perfeita a 86,33kHz.





DIA 27/06/2011:

Hoje, coloquei todo o circuito de controle parafusado em uma chapa de acrilico. Todo o circuito fica cerca de 1 cm acima da placa.
O transformador que alimenta o circuito também fica preso a esta chapa, e os próximos circuitos que colocarei também deveram ficar
fixados nesta placa, assim fica mais organizado e fácil de mexer.
Segue a foto:


Como pode ser visto na figura acima, precisei trocar o núcleo toroidal por um maior.
Ao colocar 60Vca na entrada, o núcleo anterior aquecia muito e derreteu os fios, este, peguei de um home teather sucateado.
É bem maior, como pode ser visto na foto a seguir.



Está com 2 voltas, mas ainda quero diminuir para 1, para ver se o resultado é melhor.
Ainda assim, este núcleo aquece muito e vai precisar de refrigeração.

Bom, agora ao que mais interessa a todos,
o parafuso avermelhando, há uma sequência de 3 fotos, que foram tiradas em um espaço de tempo menor que 1 minuto.
O parafuso também possui uma massa maior do que o dos primeiros testes.
Vejam as fotos, desta vez não precisei apagar a luz para o avermelhamento ser perceptível.







Isto tudo com apenas 60Vca na entrada do inversor.

Os problemas que estão ocorrendo são relativos apenas aos capacitores do banco de capacitores, que aquecem relamente muito.
Os capacitores de casamento de impedância, que está em série com a bobina de núcleo toroidal também estão aquecendo.
Além da bobina toroidal também estar aquecendo.

Provavelmente terei que mudar o posicionamento destes componentes para poder refrigerá-los, e nos tubos de cobre da bobina de trabalho
já é necessário uma refrigeração com água.

As próximas atualizações devem demorar um pouco agora, já que faço isto apenas nas horas de folga, e agora vou precisar pensar em como
refrigerar e conseguir os itens necessários para as próximas modificações.










DIA 30/06/2011:


Vou continuar a atualizar a página conforme o progresso do projeto.
Caso necessite de informações, favor me enviar um e-mail: eduardo@eduardomoreira.eng.br
Caso você monte este projeto com melhores soluções, por favor, me envie para que possamos evoluir.




DIA 05/07/2011:

Ainda estou trabalhando no circuito antigo, o novo circuito está projetado, e será montado apenas depois que
esta primeira versão estiver 100% funcional e todos os erros corrigidos.

Hoje, retirei 1 espira do núcleo de ferrite toroidal...
a retirada desta espira causou uma forma de onde triangular na bobina de saída.
Isto quer dizer problema!!
Ocorreu superaquecimento no circuito ressonânte e filtros, voltei com a quantidade anterior de espiras.

Isto será alterado cada vez que a frequência for alterada, se não for monitorado a cada mudança de frequência,
o circuito irá queimar.
Cada vez que queimo um IGBT, o driver queima junto (Já foram 2), isto porque neste protótipo não há isolação entre eles.

Aumentei o banco de capacitores, agora, com 20 capacitores (470nF x 400V), estou trabalhando na frequência de 68,77 Khz.
Estou adicionando mais cerca de 30 capacitores (470nF x 400V), e baixarei ainda mais a frequência de ressonância.
Em paralelo a isto, estou terminando o circuito de água para arrefecimento dos capacitores e bobina de trabalho.
Também estou melhorando a filtragem da corrente CC do circuito inversor, para estabilizar melhor a forma de onda.
Quando estiver mais "apresentável" postarei as fotos.



Agora, o dia de hoje (10/07/2011) merece uma página especial, devido ao grande número de fotos, informações e desenvolvimento.
DIA 10/07/2011:   CLIQUE AQUI PARA AS NOVAS FOTOS, AGORA LIGADO EM 110Vca
Com links dos videos feitos hoje!!!









Assim que tudo estiver funcionando na versão definitiva, publicarei uma página apenas com a versão definitiva,
com todos os erros corrigidos e na ordem em que tudo foi montado para facilitar o entendimento de todo o processo.

O link estará nesta página, e na página principal do site www.eduardomoreira.eng.br , não deixem de continuar visitando.