PROGRAMUL DE STUDIU SISTEME ELECTRICE FORMA DE ÎNVĂȚĂMÂNT IF PROIECT DE DIPLOMĂ COORDONATOR ȘTIINȚIFIC PROF. DR. I NG. EC. SILAGHI ALEXANDRU MARIUS… [615526]

UNIVERSITATEA DIN ORADEA
FACULTATEA DE INGINERIE ELECTRICĂ ȘI
TEHNOLOGIA INFORMAȚIEI
PROGRAMUL DE STUDIU SISTEME ELECTRICE
FORMA DE ÎNVĂȚĂMÂNT IF

PROIECT DE DIPLOMĂ

COORDONATOR ȘTIINȚIFIC
PROF. DR. I NG. EC. SILAGHI ALEXANDRU MARIUS

ABSOLVENT: [anonimizat]
2019

UNIVERSITATEA DIN ORADEA
FACULTATEA DE INGINERIE ELECTRICĂ ȘI
TEHNOLOGIA INFORMAȚIEI
PROGRAMUL DE STUDIU SISTEME ELECTRICE
FORMA DE ÎNVĂȚĂMÂNT IF

REALIZAREA UNUI
ÎNCĂLZITOR PRIN INDUCȚIE
DE MICĂ PUTERE

COORDONATOR ȘTIINȚIFIC
PROF. DR. ING. EC. SILAGHI ALEXANDRU MARIUS

ABSOLVENT: [anonimizat]
2019

UNIV ERSITATEA DIN ORADEA
FACULTATEA
DEPARTAMENTUL

TEMA

Lucrare de Finalizare a studiilor a student: [anonimizat]

1). Tema lucrării de finalizare a studiilor:

2). Termenul pentru predarea lucrării

3). Elemente inițiale pentru elaborarea lucrării de finalizare a studiilor

4). Conținutul lucrării de finalizare a studiilor :

5). Material g rafic:

6). Locul de docu mentare pentru elaborarea lucrării:

7). D ata emiterii temei_

Coord onatori științifici:
(gradul didactic titlul științific și
numele)

Cuprins

Pagina
Introducere……………………………………………………………………………………………. …… 4
Capitolul I. Noțiuni privind încălzirea prin inducție e lectromagnetică………….. 5
I.1. Generalități despre electromagnetism……………… ………………………… 5
I.2. Circuite de alimentare…… ……………… ………………………………………… 11
I.3. Circuite de comandă………………………………………. ……………………….. 14
I.4. Tehnici de comutație…………………… ………………… ……………………….. 16
I.5. Circuite de rezonanță (LC paralel)………………………….. ……………….. 19
Capitolul II. Realizarea practică a încălzitorului………………… ………………. ………. 24
II.1. Schema bloc…………………………………………………. ……………………….. 2 4
II.2. Partea de alimentare…………………………………….. ……………………….. 25
II.3. Circuit comandă…………………………………………… ……………………….. 30
II.4. Circuit semipunte…………………………………………. ……………………….. 32
II.5. Inductorul de adaptare și grupul LC……………… ……………………….. 3 4
II.6. Sistemul de răcire…………………………………………. ……………………….. 42
Capitolul III Rezultate experime ntale………………………………… ……………………….. 43
Concluzii………………….. …………………… …………………………………. ………………………… 48
Bibliografie………………………………. ……………………………………….. ……………………….. 49

4
Introducere
Am ales această lucrare având titlul Realizarea unui încălzitor prin induc ție de mică
putere deoarece mi -a plăcut tema respectivă, fiind pasionat de e lectronică și aparate electrice.
Am început să construiesc un încă lzitor mai simplu, numit încălzitor prin inducție tip ZVS
(Zero Voltage Switching). Aceasta este un model simplu, alcătuit din puține componente, la
care legăturile se pot realiza chiar și în aer, dar fără avea posibilitate a de reglare a frecvenț ei.
După accea am început să experimentez ș i să realizez un echipament de încălzire prin inducț ie
de putere mai mare, care are și po sibilități de reglare a frecvenț ei.
Pe parcursul acestei lucrăr i o să prezint construcția unui încălzitor prin inducție de
mică putere, realizat din diferite piese electronice utilizate î n domeniu . Câteva aspecte de
reținut despre încălzirea metalelor în câmp electromagnetic la frecvenață înaltă vor fi
prezentate î n acestă lucrare .
În procesele de fabricare și prelucrare a oțelurilor av em nevoie de o sursă de căldură,
deoarece prin încălzire putem schimba proprietățile materialului. În general la încălzire a prin
inducț ie, aducerea la o anumită temperatură a materialulu i utilizat in diferite aplicaț ii (oțel),
rețeaua cristalină trece prin diferite schimbări, care în cazul oțelului poate duce la creșterea
durit ății sau chiar la scăderea ei .[1]
Încălzirea prin inducție se aplică asupra corpurilor conductoare, bazată pe fen omenul
de inducție electromagnetică, la care energia este produsă de către o bobină, numit inductor,
care este parcurs de un curent alternativ. Piesa de încălzit fiind introdus ă în inductor, a ceasta
este străbătută de fluxul ul magnetic variabil produs de i nductor, fiind locul de apariție a unor
curenți turbionari care o încăl zesc datorită efectului termic. Încălzirea inductivă se
caracterizată prin viteze mari de încălzire (1000K/s) , datorită puterii specifice mari (până la
10kW/cm² ) și de posibilitatea de a doza precis energia transmisă piesei de încălzit. [2][3 ]
În funcție de frecvență putem avea:
 incălzire în profunzime, când căldura se degajă în toată masa piesei, s e utilizează de
obice i la deformări plastice la cald,
 incălzire su perficială, când căldura se co ncentrează la suprafața piesei, s e utilizează la
călirea pieselor.
Trebuie luat în considerare faptul că forma inductorului întotdeauna depinde de procesul
tehnologic utiliz at pentru diferite aplicaț ii.

5
Capitolul I. Noțiuni pr ivind încălzirea prin inducție electromagnetică

I.1. Generalități despre electromagnetism
O aplicație a undelor electromagnetice este încălzirea prin fenomenul de inducție
electromagnetică. Aceasta se bazează pe principiul câmpului electromagnetic variabil în timp
de a se pătrunde în materialele conductoare care se află în acest câmp. Curenții electrici
turbionari provenite de la tensiunile electromotoare induse, conduc la încălzirea pi esei prin
efectul Joule -Lenz. [4 ]
Circuitul echivalent al piesei de încălzit, pr ezentat în figura 2.1., este unul simplu ,
practic un rezistor.

Fig.I .1. Circuit echivalent piesă

Rezistența materialului (piesei) pornește de la relația

(I.1.)
unde este rezistivitatea determinată de natura materialului, l este lungimea conductorului iar
S este suprafața secțiunii conductorului.
În următorul tabel avem valorile de rezistivitate și conductivitate a unor materiale dielectrice
des utilizate.

6
Material σ
Ag
Cu
Au
Al
Fe
Fig.I .2. Rezistivitatea și conductivitatea unor materiale la temperatura de

Puterea depinde de rezistența materialului și de curent, pentru care avem relația puterii:
(I.2.)
Câmpul electromagnetic indus care este variația fluxului magnetic care trece prin corp într -un
anumit timp:

(I.3.)
Încălzirea, puterea convertită în căldură de către corp este:
(I.4.)
Conductorul nostru având formă de solenoid, putem folos i următoarea relație pentru a calcula
câmpul magnetic:

(I.5.)
Unde N este numărul de spire și l lungimea bobinei.

7

Fig.I.3. Fluxul și curenții în piesă

Permeabilitatea magnetică µ. este o caracteristică a materialelor dielectrice, fiind un factor de
proportionaliate intre intensitatea c âmpul ui magnetic H și inducția electromagnetică B .
(I.6.)
Permeabilitatea materialului este :
(I.7.)
unde H/m este o constantă universală și depinde de material.
Materialele pot fi clasificate în următorul mod , prezentate în fig.1.4 .
Clasificare Material
Feromagnetic Oțel carbon ˃˃1
Paramagnetic Al, Ti, Mo, ≥1
Diamagnetic Cu, Au, silver, Al oxid ≤1
Fig.I .4. Proprietăți ale materialelor

8
În cazul circuitelor de curent alternativ de frecvență mare apare un fenomen numit
efect pelicular. Aceasta constă prin distribuția curenților pe suprafața conductorului,
scăzându -se spre interiorul conductorului.
Densitatea curentului alternativ I în conductor descrește exponențial fa ță de valoarea sa Is
conform adâncimii d față de suprafață.
(I.8.)
Unde δ este adâncimea de pătrundere, adâncime deasupra căruia densitatea de curent
descrește la 1/e din densitatea de pe suprafață Is.
√
(I.9.)
Unde ρ rezistivitatea conductorului și µ permeabilitatea absolută.

Adâncimea de pătrundere depinde de frecvența utilizată f, conductivitatea materialului σ s/m
și permeabilitatea materialului H/m.

√ (I.10.)
Exemplu de adâncimi de pătrundere calculate pentru cupru și oțel la diferite frecvențe, dată în
milimetri, găsim în tabelul următor
Frecvență kHz Oțel ( ) Cupru ( )
0.1 43.32 6.68
1 13.7 2.11
10 4.33 0.67
100 1.37 0.21
200 0.97 0.15
Fig.I.5 . Adâncimi de pătrundere la diferite frecvențe

Transferul de căldură în material, cunoscut și sub numele legea lui Fourier, care ne
arată că timpul necesar transferului de căldură prin material este proporțional cu gradientul
negativ al temperaturii în area în care căldura se propagă.
(I.11.)
Unde q fluxul de căldură local [ ], k conductivitate termică [W/m] și gradientul de
temperatură [ ].

9

Material Cond term (W/m)
Oțel 16
Oțel carbon 36
Aluminiu 205
Cupru 385
Argint 406
Fig.I.6. Conductivitatea termică a unor materiale

Puterea transferată corpului corpul ui se va realiza (piesa care este introdusă în inductor ) prin s
încălzire datori tă efectului Joule produs de către curenții induși. În cazul respectiv nu putem
folosi relația
(I.12.)
Unde S reprezintă secțiunea prin care trece curentul I și l lungimea conductorului.
În caz simplificat, curentul este considerat ca fiind concentrat într -o zonă a cărei grosime este
adâncimea de pătrundere d0, cu o densitate de curent constantă egal cu de nsitatea de curent pe
suprafața piesei. Se cunoaște că curentul I este egal cu produsul densității de curent de pe
suprafață i0 ori adâncimea de pătrundere d0.
Curenții induși trec printr -un conductor care poate fi echivalat cu un cilindru. Lungimea
condu ctorului este egal cu circumferința secțiunii unui cilindru pi ori d, unde d fiind
diametrul.
Secțiunea conductorului este egal cu hd0, produsul adâncimii de pătrundere ori înălțimea
cilindrului h.

10

Fig.I.7 . Piesa de încălzit și inductorul

De aici obține m rezistența electrică aproximativă:

(I.13.)
Energia disipată în piesa de încălzit este:
(I.14.)
I2 reprezintă valoarea curentului care este echivalent cu secundarul unui transformator cu o
singură spiră în secundar în scurtcircuit, care are în primar n înfășurări prin care trece un
curent I1.[3][4][5][6][7] [8]
Prin introducerea în relație valoarea rms a câmpului magnetic și schimbând
valoare lui d0 cu valoarea lui proprie, obținem relația:
√ (I.15.)
Puterea specifică în W/m2:
√ (I.16.)

11
I.2. Circuite de alimentare

Pentru a putea alimenta circuitele de curent continuu trebuie să introducem un circuit
care convertește tensiunea alternativă în tensiune continuă. Pentru aceasta se folosește un
redresor. Redresoarele pot fi de mai multe tipuri, fiecare cu avantajele și d ezavantajele sale.
Cel mai răspândit tip de redresor este redresorul monofazat dublă alternanță (în punte).
În figura următoare avem prezentat schema redresorului în punte cu filtru capacitiv.

Fig.I.8. Schema redresor cu filtru capacitiv

Funcționarea redresorului în punte este următoarea:
 În semialternanța pozitivă a tensiunii de la intrare diodele D1 și D3 sunt în conducție
iar diodele D2 și D4 sunt blocate
 În semialternanța negativă a tensiunii de la intrare diodele D2 și D4 se află în
conducție iar diodele D1 și D3 sunt blocate
În multe cazuri forma de undă obținută fără filtraj nu este convenabilă pentru a alimenta
aparatura dorită. Fără filtraj componenta variabilă a tensiunii pe sarcină este prea mare,
variația vârf la vârf (Vpp) este cuprinsă înt re zero și amplitudinea tensiunii de la intrare.
Prin introducerea unui filtru capacitiv, un condensator, ondulația tensiunii redresate se
micșorează datorită înmagazinării energiei în timpul de conducție a diodelor și cedării acestei
energii a sarcinii câ nd diodele sunt blocate. Astfel mărim timpul trecerii curentului prin
sarcină reducând astfel ondulațiil e.[9]

12

Fig.I.9. Interfața programului de simulare Multisim

Cu ajutorul programului de simulare Multisim putem realiza scheme electronice,
programul a vând o bază de date cu componente destul de largă.
În afară de realizarea schemei, putem să efectuăm diferite măsurători cu ajutorul aparatelor de
măsură care o putem conecta la circuitul nostru realizat.
Astfel putem obține date de simulare care pot fi co mparate cu valorile reale din schema
electrică realizată practic.

13

Fig.I.10. Forme de undă obținute în programul de simulare Multisim

În figura de mai sus putem observa diferența dintre formele de undă a tensiunii redresate,
traseul de culorea roșie și forma tensiunii redresate cu condensator de filtrare, traseul verde.
Formele de undă s -au obținut prin redresarea unei tensiuni alternative de 90V, filtrat cu un
condensator polarizat de 500µF în programul de simulare Multisim.

În cazul în care avem nevoi e de o valoare de tensiune fixă, cu fluctuații cât mai reduse,
avem nevoie de un stabilizator de tensiune.
Stabilizatoarele pot fi de mai multe tipuri, cel mai simplu cu o diodă zener, cu tranzistor serie
sau paralel, până la tipuri cu amplificatoare oper aționale, fiecare cu avantajele și
dezavantajele sale.
Un stabilizator simplu este stabilizatorul cu tranzistor în serie.

14

Fig.I.11. Schemă stabilizator serie

Tranzistorul Q1 este comandat în bază, de la un stabilizator cu diodă zener (D1
împreună cu rez istorul R2) , care produce tensiunea de referință. Fluctuațiile sunt preluate între
colectorul și emitorul tranzistorului, asfel creând o valoare a tensiunii stabile, cu fluctuații
reduse pe ieșire, în acest caz pe rezistorul de sarcină R1.
Valoarea tensiun ii de ieșire este:
(I.17.)
Unde este valoarea tensiunii pe rezistorul de sarcină R1 , tensiunea de referință dată de
dioda zener și căderea de tensiune pe tranzistor (tensiune colector -emitor).
Tranzistorul fiind în monta j CC (colector comun), î -l putem numi și ca stabilizator
repetor pe emitor, fiindcă tensiunea aplicată între bază și colector se regăsește și pe ieșire,
între bază și emitor.[10]

I.3. Circuite de comandă

Pentru ca circuitul de forță să poate funcționa, a vem nevoie de un circuit de comandă.
În cazul nostru avem nevoie de un generator de semnal cu frecvență variabilă cu un
factor de umplere de 50% și de un driver p entru tranzistorii de putere. [11 ]
Un generator de puls poate fi realizat din componente discrete sau cu ajutorul unui integrat
specializat (cum ar fi LM555). Generatorul de impuls ne debitează o serie de impulsuri cu o
frecvență și un factor de umplere setat. Inversarea nivelelor de ieșire și introducerea unei
întârzieri se poate obțin e cu ajutorul amplificatoarelor operaționale.

15
Pentru a putea comanda tranzistorii de putere, în cazul nostru MOSFETurile, avem nevoie de
un driver pentru acestea. Aceasta poate fi realizat din componente discr ete, sau cel mai simplu
cu ajutorul unui circuit integrat dedicat pentru această funcție (cum ar fi IR2110). Un astfel de
integrat cuprinde toate componentele necesare închiderii și desc hiderii porții tranzistorilor.
Un driver pentru circuitul de semi punt e trebuie să conțină un generator de timp mort,
schimbătoare de nivel, dar în afara acestora mai poate avea și alte funcții încorporate.

Fig.I .12. Schema bloc a unui driver de circuit semi punte

Fig.I.13. PWM și timp mort
În cazul nostru, generatorul de semnal și driverul pentru MOSFETuri sunt încorporate
în același circuit integrat, descris în următorul capitol.

16
I.4. Tehnici de comutație

Pentru a realizarea încălzirii, avem nevoie să aducem în punctul de rezonanță grup ul
LC. Pentru aceasta pe lângă circuitul de comandă avem nevoie să apelăm la electronica de
putere, fiindcă tranzistoarele circuitului de comandă nu ne pot debita curentul necesar.
Aici putem să alegem între mai multe topologii de convertoare, dintre care cele mai
des utilizate în sisteme de conversie sunt convertorul tip punte (H -bridge), semi punte (half –
bridge), boost (ridicător de tensiune) sau buck (coborâtor de tensiune), dar în cazul nostru
vom discuta despre convertorul tip semi punte.

Fig.I .14. Schema convertorului în semi punte

Denumirea vine din faptul că doar un braț al punții este realizat cu dispozitive
semiconductoare, celălalt braț fiind un divizor capacitiv, realizat cu condensatori de capacități
egale. Din acest motiv, tensiunile la bornele condensatorilor va fi jumătatea tensiunii de
alimentare.
Avantajul acestui tip de convertor constă în faptul că se utilizează doar două
dispozitive semiconductoare, care duce la simplificarea circuitului de comandă, la reducerea
numărului de compon ente și a costurilor.

17
În imagine avem prezentat a o schemă a unui circuit de forță, unde Q1 și Q2 sunt
tranzistorii, C1 și C2 condensatorii și R2 reprezintă sarcina sau dispozitivul alimentat.
Funcționarea constă prin punerea în conducție a tranzistorilor î ntr-un anumit mod. Avem
două cazuri:
 În primul caz conduce tranzistorul Q1. Atunci sensul curentului este de la sursă
(VCC), Q1, L, C2, GND; (linia roșie).
 În al doilea caz conduce tranzistorul Q2. Atunci avem sensul curentului de la
sursa VCC, C1, L, Q2, GND; (linia albastră).

Fig.I.15 . Sensul curenților în funcție de tranzistorul care conduce

În acest fel, prin schimbarea sensului curentului, se schimbă și sensul curentului prin R,
consumatorul, care în cazul nostru este grupul condensator -bobină.
Între cele două comutări trebuie introdus o întârziere, numit timp mort (dead -time),
pentru o funcționare corectă. Avem nevoie de această întârziere pentru că fiecare tranzistor
are nevoie de un anumit timp pentru a intra în conducție, (valoare generală 10ns) și un anumit

18
timp pentru a se opri din conducție, (valoare generală 20ns). Acești timpi sunt specificate în
documentația dispozitivului.
Pentru sisteme de converoare se preferă utilizarea tranzistorilor de tip MOSFET
fiindcă au câteva avantaje față de tra nzistorii bipolari.
O caracteristică importantă este disiparea de căldură în timpul funcționării.
Disiparea este compus din pierderile rezistive și cele de comutație.
(I.18.)
Disiparea MOSFETurilor depind în general de rezistența lor de conducție , care
depinde de temperatura joncțiunii , care depinde de puterea disipată în interiorul
dispozitivului și rezistența termică a acestuia .
Rezistența de conducție în general se specifică în documentația tehnică la temperatura de
25 , cu un coeficient de schimbare a lui cuprins între și .
Temperatura maximă a joncțiunii ( ) se dă în catalog.
(I.19.)
Unde este rezistența de conducție utilizat pentru calcule iar Tspec temperatura la
care rezistența de conducție este specificat .
(I.20.)
Unde este parametru din catalog, frecvența de comutație, curentul necesar
pentru a schimba starea de conducție a dispozitivului. [12]

19
I.5. Circuite de rezonanță (LC paralel)

Pentru a determina frecvența de rezonanță a circuitului nostru LC paralel, mai întâi
avem nevoie să cunoaștem capacitatea bancului de condensatori și inductanța bobinei de
lucru.
Pentru a obține o valoare a capacității necesare, folosim mai multe condensatoare , practic
construim un grup de condensatoare.
Condensatorii se pot lega în serie, paralel sau mixt. Pentru cazul respectiv, s -a ales o legare
mixtă a condensatoarelor, pentru care avem următoarele relații.

Relația pentru capacitatea condensatoarelor în serie, cu capacități egale este:

(I.21.)
din care rezultă că

(I.22.)
Capacitatea echivalentă a condensatoarelor legate în paralel este egală cu suma capacităților
parțiale, obținând relația următoare:
(I.23.)

Calcului inductanței bobinei de lucru
Pentru a calcula inductanța unei bobine, putem folosi relațiile sau un program dedicat pentru
aceste tipuri de calcule, unde doar trebuie să introducem datele pe o interfață.
Inductanța unei bobine po ate fi calculat cu următoarea relație:

(I.24.)

20

Fig.I .16. Dimensiuni ale bobinei inductorului
Avem notațiile: w – număr de spire, p – pasul înfășurării, d – diametru conductor, l –
lungimea bobinei, D – diametru carcasă, în cm. Diame trul carcasei în cazul nostru reprezintă
dimensiunea piesei pe care realizăm înfășurările.[13]
Un astfel de program, pentru calculul inductanței unei bobine este Coil64, un program
cu o interfață ușor de utilizat care poate fi descărcat gratuit.

Fig.I.17. Interfața programului Coil64

21
Calculul circuitului LC paralel

Pentru calculul frecvenței de rezonanță avem relația:

(I.25.)
Unde fr este frecvența obținută în MHz, L inductivitatea bobinei în µH și C capacitatea
condensatoarelor în pF. [19]

Pentru a calcula frecvența de rezonanță, putem să apelăm la programul Coil64.

Fig.I .18. Calculul frecvenței de rezonanță cu ajutorul programului Coil64

Simularea circuitului LC paralel s-a realizat cu ajutorul programului de simulare LTSpice.

22

Fig.I.19. Intefața programului de simulare LTSpice

Fig.I.20. Schema de simulat

23

Fig.I.21. Valoarea tensiunii și curentului prin inductor
Simularea a avut loc prin alimentarea circuitului L1 C1 printrun rezistor cu o tensiune
sinusoidală de 100V cu fre cvența de 34kHz.

Pentru a putea realiza alimentarea circuitului LC paralel avem nevoie de un inductor
de adaptare. Inductorul de adaptare are rolul de a realiza o adaptare între de impedanță între
circuitul semi punte și grupul LC, fiindcă aceasta are o impedanță scăzută.
Practic circuitul LC paralel se comportă ca și un scurt dacă este legat direct la ieșirea de la
semipunte.

24
Capitolul II. Realizarea practică a încălzitorului

II.1. Schema bloc

Fig.II .1. Schema bloc a încălzitorului
În schema bloc avem prezentate modulele din care se compune încălzitorul.
În următoarele subcapitole este descris fiecare modul, din ce sunt compuse și cum arată.

Fig.II.2. Încălzitorul prin inducție

25
II.2. Partea de alimentare

Alimentarea circuitelor se realizează de la rețeaua 230V AC prin intermediul unor
transformatoare coborâtoare de tensiune.
Avem două valori de tensiune, una de 120Vdc pentru half -bridge și una de 12Vdc
pentru circuitul de comandă și dispozitivele de răcire.
Tensiunea necesară pe partea de forță se obține prin redresarea tensiunii din secundar a
transformatorului cu un redresor în punte și apoi filtrat cu condensatoare.
Pentru a calcula valoarea tensiunii redresate, folosim relația:
(II.1.)
unde Vdc reprezint ă valoarea tensiunii redresate, Vac valoarea tensiunii alternative și valoarea
1.4V reprezintă căderea de tensiune pe diode (în general cade 0.7V pe o diodă).
Folosind relația obținem o valoarea a tensiunii redresată de 136V.
Valoarea măsurată a tensiunii de mers în gol este de 120Vdc.
Alimentarea circuitului de comandă este realizat cu un alt transformator, de putere mai
mică. Tensiunea este obținută prin redresare, unde obținem valoarea de 17Vdc care apoi este
stabilizat la valoarea de 12V cu ajutorul un ui regulator de tensiune tip LM7812.
Circuitul integrat LM7812 aparține unei familii de integrate stabilizatoare de tensiune
cu trei terminale, disponibil în mai multe dimensiuni de capsulă.

26

Fig.II.3. Schema bloc a integrat ului LM7812
Din schema bloc a dispozitivului putem vedea principalele blocuri constructive,
fiecare cu rolul său specific.
Este un tip de stabilizator răspândit fiindcă necesită puține componente externe,
practic două condensatoare, unul între intrare și masă, iar unul între ieșire și masă.
Redresorul și stabilizatorul de tensiune sunt montate pe un radiator de aluminiu pentru răcire.
În următoarea figură avem schema modulului de alimentare.

27

Fig.II .4. Schema modulului de alimentare

Avem două intrări și două ieșiri. AC1 prezintă intrarea de la transformatorul 1, iar DC1
prezintă ieșirea de tensiune pentru circuitul de semi punte. La AC2 este conectat ieșirea de la
transformatorul 2 și DC2 este ieșirea tensiunii stabilizate pentru circuitul de comandă și
dispozitivele de răcire.
Diodele LED montate pe modul ul de alimentare au rol dublu. În primul rând ne arată
prezența tensiunilor, iar în al doilea rând au rolul de a descărca condensatoarele după oprirea
alimentării.

28

Fig.II .5. Modelul cablajului realizat în programul SprintLayout

Cablajul a fost proiectat cu ajutorul unui program de realizat cablaje numit
SprintLayout. Acest program este ideal pentru a realiza cablaje simple.
Programul SprintLayout are o bază de date cu dimensiunile componentelor și capsulele
dispozitivelor elect ronice (tranzistori, diode, circuite integrate).
Procedeul de realizare a cablajului este simplu, se aleg componentele dorite după mărime și se
plasează pe zona de luctru. Traseele se plasează manual între piese.
Cablajul a fost fabricat cu ajutorul medode i transfer ului de toner .

29

Fig.II.6. Modul de amimentare

Pe cablaj ul modulului de alimentare s-au introdus pentru fiecare p arte câte o siguranță
fuzibilă. Valoarea fuzibilului s -a ales după necesitățile de curent în circuitul respectiv .
Pentru a proteja circuitul de forță și grupul LC paralel în cazul în care apare un scurt între
spire s -a introdus în secundarul transformatorului, în serie cu siguranța fuzibilă un disjunctor
de 6A cu caracteristica de declanșare tip C.
Am preferat disjunc torul cu caracteristica C deoarece declanșarea este mai lentă, astfel nu se
întrerupe imediat alimentarea în timpul reglajelor, când înc ă pot apărea valori ale curenților
mai mari. Un alt avantaj al disjunctoarelor este că pot fi acționate de mai multe ori față de
siguranțele fuzibile care sunt de unică folosință.
Acest aspect prinde bine în cazul amatorilor în timpul experimentării sau la alimentarea unui
dispozitiv necunoscut. [15][16]

30
II.3. Circuitul de comandă

Încălzitorul are în circuitul de comandă un circuit integrat specializat, IR2153, fabricat
de către International Rectifier.

Fig. II .7. – Schema bloc a integratului
După cum se vede în schemă, integratul cuprinde atât circuitul oscilant cât și circuitul
de comandă al MOSFET -urilor sau IGBT -urilor.
Frecvența se reglează cu ajutorul unui grup RC. Între Rt și Ct se introduce un rezistor,
iar între Ct și COM un condensator ceramic.
Circuitul mai are o funcție de oprire, prin punerea la pământ a terminalul Ct.
Factorul de umplere (duty -cycle ) este setat de către producător la 50%.
Frecvența se calculează cu următoarea relație, dată de producător:

(II.2.)
În cazul respectiv s -a utilizat un condensator ceramic de 470 pF și un rezistor de 18 kΩ în
serie cu un potențiometru de 50kΩ pentru a putea regla frecvența. Astfel frecvența se poate
regla de la 22kHz până la 54kHz.

31

Fig.II .8. Schema circuitului de comandă

Fig.II .9. Semnalul la ieșirile integratului

32
Aici mai este important de a menționat utilizarea unei surse de ali mentare stabile.
Fluctuațiile tensiunii de alimentare a circuitului integrat duce la schimbarea valorii frecvenței
de ieșire, fiindcă oscilatorul este comandat în tensiune.
Circuitul integrat are o posibilitate de a -l alimenta cu tensiunea din circuitul de forță
printr -un rezistor, fiindcă are încorporat o diodă zener de 15.6V .
Această opțiune ar fi simplificat schema de alimentare, dar ar fi fost nevoie de un rezistor de
putere cu o valoare a rezistenței ridicate .
Un alt aspect al alimentării de la o sursă auxiliară care alimentează și sistemele de răcire este,
că în lipsa acestuia nu putem să pornim instalația fără răcire.

II.4. Circuitul semipunte

Circuitul semipunte (half bridge) este compus din două tranzistoare cu efect de câmp
cu canal indus de tip N (N -MOS).
S-a ales modelul CSD19536KCS de la Texas Instruments, fiindcă rezistă la un curent
drenă -sursă de 150A lângă o tensiune drenă -sursă (Uds) de 100V, cu o rezistență de conducție
(RdsON) de 2.3mΩ, la temperatura de 25 grade Celsius.

33

Fig.II .10. Schema semipunte

Condensatorii C3, C4 reprezintă partea pasivă a circuitului de semipunte.
S-au folosit condensatoare de tip folie pentru motoare electrice de 1µF/450V.
Rezistorii R5, R6 au rolul de a simetriza valoare tensiunii de pe cele două condensa toare și de
a le descărca după oprirea alimentării.
Condensatorii C1, C2 în serie cu rezistorii R1, R2 au rolul de a împiedica apariția
fenomenului de autoaprindere a MOSFET -urilor (self -turn-on). Fenomenul de autoaprindere
apare în cazul în care se lucre ază la tensiuni mai ridicate, care poate duce la funcționarea
incorectă a circuitului sau la defectarea semiconductorilor. [17],[18 ]

Circuitul de comandă și mosfeturile din semipunte au luat loc pe același circuit imprimat.

34
h

Fig.II .11. Circuitul de coma ndă și semipunte

II.5. Inductorul de adaptare și grupul LC

Piesa de încălzit se introduce într -un inductor, fără a face contact cu el sau a -l
scurtcircuita între spire. Pentru a putea alimenta tancul LC (inductorul conectat paralel cu
bancul de condensat ori), avem nevoie de un inductor de adaptare.

35

Fig.II .12. Schema inducto r adaptare și indicatorul de acord

Inductorul poate avea diverse forme, începând de la modele simple în forme de spire
sau forme speciale, în funcție de necesitățile procesul tehnolo gic.
În cazul nostru s -a ales un model de bobină simplu, monostrat, fără miez.
Materialul inductorului este cupru în formă de țeavă, utilizat la instalații de
climatizare, pentru conectarea unităților interioare și exterioare. Motivul alegerii acestuia est e
că se poate forma ușor după nevoi, are rigiditate necesară pentru a nu se deforma și se poate
circula apă prin el pentru răcire.
Inductorul a fost realizat pe diametrul de 45 mm, cu lungimea de 70 mm, distanța între
spire fiind de 8 mm, având în total 6 spire. Țeava are diametrul exterior de 6.45mm și o
grosime de perete de 0.8mm.
Inductanța a fost măsurat cu un RLC -metru (ESCORT ELC -133A) cu și fără obiect de
metal în el, cât și calculat cu ajutorul unui program, numit Coil64.

36

Fig.II .13. Valori obținute cu ajutorul programului Coil64
Cu ajutorul programului s -a obținut o valoare a inductanței de 1.22 µH.

Fig.II .14. Măsurarea inductanței cu piesă metalică în inductor

37

Fig.II .15. Măsurarea inductanței fără piesă metalică în inductor

Aparatul de măsură a inductivității poate realiza măsurătorile în mai multe domenii de
frecvență. Automat aparatul măsoară la frecvența de 1kHz, dar se poate selecta și valorile de
100Hz, 120Hz și 10kHz.

Frecvența Inductivitate c u piesă metalică Inductivitate f ără piesă
metalică
100 Hz 0.002 mH 0.004 mH
120 Hz 0.005 mH 0.004 mH
1 kHz 2.2 µH 1.3 µH
10 kHz 1.8 µH 1.6 µH
Fig.II.16. Valori obținute la diferite frecvențe de măsurare

38
Metoda de măsurare Valoarea obținută
RLC cu piesă metalică 1.8µH
RLC fără piesă metalică 1.6µH
Coil64 1.22µH
Calcul manual 0.8µH
Fig.II .17. Valori obținute prin diferite metode

În schema din figura 2.10. putem observa prezența unui LED conectat antiparalel cu o
diodă, care printr -un rezistor este conectat paralel cu inductorul. A cest circuit are rolul de a ne
ajuta la reglarea punctului de rezonanță în funcție de piesa de încălzit. Practic este un
indicator vizual al nivelului de tensiune prezent pe circuitul LC. Astfel nu mai avem nevoie de
a urmări valoarea curentului preluat de către circuitul de forță.
Frecvența de rezonanță a fost aflat tot cu ajutorul programului, obținând valoarea de 31kHz.

Fig.II .18. Calculul frecvenței de rezonanță cu ajutorul programului

39
Inductorul de adaptare, notat cu MATCHING în fig.2.10 este realizat din 14 spire de
conductor multifilar cu secțiunea de 1.5mm2, pe un miez de ferită tip ETD59 .

Fig.II .19. Inductorul de adaptare

Frecvența Valoarea obținută
100 Hz 1.022 m H
120 Hz 1.022 m H
1 kHz 1013.1 µH
10 kHz 1012.9 µH
Fig.II .20. Valorarea inductivității fără întrefier

40
Frecvența Valoarea obținută
100 Hz 0.05 m H
120 Hz 0.052 m H
1 kHz 53.6 µH
10 kHz 53.8 µH
Fig.II .21. Valo are inductivității cu întrefier de 1.3mm

Cu ajutorul întrefierului putem influența încălzirea piesei.
Cu un întrefier de 1.3 mm avem un curent în secundarul transformatorului de aproximativ 5A.
Fără întrefier avem un curent de aproximativ 0.1A, caz în care nu se obține încălzirea piesei.
Cu un î ntrefier mai mare obținem un curent în secundar de 8 -10A, dar aceasta duce la disipări
ridicate pe dispozitivele semiconductoare și pe condensatori.

Fig.II .22. Circuitul LC paralel

41
Condensatoarele pentru pornit motoare și inductorul au fost lipite pe un cablaj
imprimat. S -a ales lipirea directă a pieselor, fiindcă încă la primele experimente, cu conectori
tip papuci am observat o încălzire accentuată asupra terminalelor de la condensatori.
Fiind vorba de curenți mari, în domeniul de sute de amperi, aceas tă încălzire s -a produs și la
firele de legătură între inductor și bancul de condensatori.
Pentru ca cablajul să nu cedeze din cauza curenților mari, am ales să îndepărtez cât mai puțin
din stratul de cupru.
Această decizie bazează tot pe experi ențele din timpul de experimentare, când la modelul
ZVS s -a întrerupt traseul între condensator și bobină.
Fiind vorba de suprafețe mari, cablajul având suprafața mare de cupru și inductorul având
dimensiuni mari, lipirea era mai dificil de realizat .[19] [20]

42
II.6. Sistemul de răcire
Pentru o utilizare mai îndelungată și sigură, este nevoie de un sistem de răcire a
inductorului. Inductorul se încălzește nu numai datorită curenților care trec prin el, ci și de
căldura radiată de către pi esa încălzită.
De aceea s -a adăugat un sistem de răcire cu lichid, pentru răcirea inductorului.
Sistemul de răcire este compus dintr -un rezervor de lichid, pompă de circulare și un radiator
folosit la sisteme de răcire cu apă pentru calculatoare. Răcirea se realizeaz ă pri n circularea
unui lichid prin inductor.

Fig.II .23. Sistemul de răcire
Cu ajutorul acestui sistem, putem folosi un timp mai îndelungat dispozitivul, față de
cazul în care nu avem un sistem de răcire.
Necesitatea sistemului de răcire s -a constatat încă în fazele de experimentare, când
într-un moment s -a desprins inductorul de pe cab lajul bancului de condensatoare, fiind atins
punctul de topire a aliajului de lipit.

43
Capitolul III. Rezultate experimentale
Ca și rezultate, am reușit să încălzesc diferite piese metalice.
Ca și mărime, cea mai mare a fost o cheie fixă de 22mm din material CrV (crome -vanadiu,
utilizat la confecționarea scule lor).

Fig.III .1. Cheie înroșită

Cu acest sistem am reușit să obțin niște temperaturi ridicate la șurubul M8, tempera tura finală
fiind estimat la aproximativ 700 °C , după un tabel de culoare a materialelor încălzite.

44
Culoare Temperatura aproximativă [° C]
Roșu, slab vizibil 500
Roșu sânge 580
Roșu cireșe închis 635
Roșu cireșe mediu 690
Roșu cireșe 745
Roșu cireșe deschis 790
Somon 845
Portocaliu închis 890
Portocaliu 940
Galben 1000
Galben deschis 1080
Alb 1200
Fig.III.2. Valori ale temperaturii aproximative după culoare

S-au efectuatși alte măsurători, unde a fost încălzit un șurub M8.
Temperatura a fost înregistrată cu o sondă de temperatură prin contact de la Fluke.
Temperatura a fost înregistrată la diferite intervale de timp. Cu această metodă s -au obținut
următoarele temperaturi aproximative.
Precizia măsurătorii a fost influențată prin faptul că contactul nu este perfect î ntre piesă și
termocuplu , care a mai fost înrăutățit ă din cauza apariției unui strat de oxid pe suprafața
piesei.
Un alt factor de influență era faptul că încălzitorul trebuia oprit în timpul măsurării fiindcă
astfel am fi încălzit și sonda c are ar fi dus la erori mai mari sau la defectarea lui.

45

Fig.III .3. Măsurarea temperaturii

Timp [s] Temperatura [°C]
0 23
10 45
20 55
30 85
40 120
50 230
60 310
Fig.III .4. Temperaturi măsurate șurub M8 introdus parțial în inductor

46
Timp [s] Temperatura [°C]
0 26
10 54
20 71
30 85
40 132
50 230
60 376
Fig.III .5. Temperaturi măsurate șurub M8 introdus complet în inductor

Timp [s] Temperatura [°C]
0 23
10 39
20 51
30 85
40 134
50 170
60 210
Fig.III .6. Temperaturi măsurate șurub M12 introdus complet în inductor

Timp [s] Temperatura [°C]
0 24
10 34
20 48
30 69
40 98
50 137
60 198
Fig.III .7. Temperaturi măsurate șurub M 20 introdus complet în inductor

47

Fig.III.8. Diferențele de temperaturi
În figura III.8. putem vedea graficul obținut în programul Matlab care prezintă temperaturile
șuruburilor încălzite, măsurătorile fiind realizate în același intervale de timp.

48
Concluzii
Lucrarea se axează pe prezentarea aspectelor teoretice încălzirii prin inducție
electromagnetică și pe realizarea practică a unui astfel de dispozotiv.
Încălzitoarele clasice în general se bazează pe obținerea căldurii prin arderea unor
material e, care produc fumuri și materiale reziduale dăunătoare pentru mediu.
Prin această metodă de încălzire se pot obține încălzitoare sau cuptoare de diferite dimensiuni
și puteri, în funcție de necesități.
Scopul meu este realizarea unui model de încă lzitor p rin inducț e care poate fi utilizat acasă la
încălzirea unor obiecte mai mici sau în scop didactic.
În cadrul acestei lucrări se po t studia următoarele aspecte ce vor putea fi folosit e în viitor
pentru demonstrarea î n practică a :
 sistemelor de alimentare
 comanda unor circuite de forță
 circuitelor de forță
 circuite lor de rezonanță
 influenței întrefierului asupra puterii
 influenței poziționării piesei în inductor.

Acest încălzitor prin inducție electromagnetică poate fi folosit în siguranță deoarece are
prevăzut sisteme de protecție la scurtcircuit și izolare galvanică de la rețea.
În viitor se ia î n considerare crerea unui echipament portabil ce foloseste încălzirea
prin inducț ie, cu dimensiuni și greutate redusă, care să poate fi o aplicatie î n vederea în călzirii
șuruburilor și a piulițelor rugin ite, care sunt greu de demontat .

49

Bibliografie
[1] Dr. Polinszky Kárly, Technika Kisenciklopédia. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1975
[2] Sora, C. -Bazele electrotehnicii, Editura Didactică și Pedagogică , Bucuresti, 1982
[3] William H.Hyat, John A. Buck, – Engineering Electromagnetics, McGraw Hill, 2000
[4] Rohde, L.U., Jain, G. C. , Poddar ,A.K., Ghosh , A. K. , Introduction to Integral Calculus:
Systematic Studies with Engineering Applications for Beginners , Wiley, 2012
[5] Institutul Romăn de Standardizare, Materiale Electroizolante și Materiale Magnetic e.
Colecție STAS, Editura Technică, București 1980
[6] U.L. Rohde, A.K. Poddar, G. B öck, A.M. Silaghi, Proiectarea oscilatoarelor moderne cu
microunde pentru aplicatii wireless : teorie si optimizare, Editura Matrix Rom, ISBN
978-606-25-0405 -2 Bucuresti, 2018
[7] De Sabata,A. Tehnica frecventelor inalte, Orizonturi Universitare , Timisoara,2001
[8] Silaghi , A.M., Pantea, M.D. , Introducere in Electrotehnica, Editura Risoprint,Cluj –
Napoca, 2010, ISBN 978 -973-53-0258 -0
[9] Livia Bandici: Electrotermie, Editura Universităț ii din Oradea, 2004
[10] M.A. Sila ghi, D.M.Pantea, Helga Silaghi, Electrotehnica industriala , Editura
Universității din Oradea, 2010, ISBN 978 -606-10-0186 -6
[11] J. G. Lehmann. Diódák és tranzisztorok , Műszaki könyvkiadó Budapest, 1971
[12] A. Silaghi, A.De Sabata, M. A. Silaghi , Testing immunity to portable transmitters
with helical antennas: Key concepts, IEEE 22ND INTERNATIONAL SYMPOSIUM
FOR DESIGN AND TECHNOLOGY AND ELECTRONIC PACKAGING, SIITME
2016
[13] Helga Silaghi, U.Rohde, Viorica Spoiala, A. Silaghi, E. Gergely, Z . Nagy, Voice
Command of an Industrial Robot in a Noisy Environment, International Symposium on
Fundamentals of Electrical Engineering, ISFEE 2014, WOS:000380570500064,
Bucharest, Romania, 2014
[14] D. A. Hoble, Echipamente electrice, Editura Universității din Oradea, 2013
[15] Maurice Orfeuil, Electric pro cess heating, Battelle Pr, 1987
[16] A. Million, C. Million. Lipirea și aliaje de lipit. Editura Tehnică, 1975
[17] Gh. Hortopan, Aparate electrice, Editura Didactică și Pedagogică, București, 1980

50
[18] I.Dima, I.Munteanu, Materiale și Dispozitive Semiconductoare , Editura Didactică și
Pedagogică, București 1980
[19] Application Note AN -1084 Power MOSFET Basics by Vrej Barkhordarian,
International Rectifier ,
https://www.infineon.com/dgdl/an –
1084.pdf?fileId=5546d462533600a401535595840d101e , accesat la data de 15.06.2019
[20] Fundamentals of MOSFET and IGBT Gate Driver Circuits Application Report
SLUA618A –March 2017 –Revised October 2018 acce sat la 10.06.2019
http://www.ti.com/lit/ml/slua618a/slua618a.pdf

DECLARAȚIE DE AUTENTICITATE A
LUCRĂRII DE FINALIZARE A STUDIILOR

Titlul lucrării ________________________________________________________
___________________________________________________________________
___________________________________________________________________

Autorul lucrării _____________________________________________

Lucrarea de finalizare a studiilor este elaborată în vederea susținerii examenului de finalizare a
studiilor organizat de către Facultatea _________________________________________ din cadrul
Universității din Oradea, sesiunea_______________________ a anului universitar ______________.
Prin prezenta, subsemnatul (nume, prenume, CNP) _____________________
_____________________ ______________________________________________
___________________________________________________________________,
declar pe proprie răspundere că această lucrare a fost scrisă de către mine, fără nici un ajutor
neautorizat și că nici o parte a lucrării n u conține aplicații sau studii de caz publicate de alți autori.
Declar, de asemenea, că în lucrare nu există idei, tabele, grafice, hărți sau alte surse folosite fără
respectarea legii române și a convențiilor internaționale privind drepturile de autor.

Oradea,
Data Semnătura