Induktions-Schmelzofen mit 500W ZVS

Hier zeige ich euch meinen Induktions-Schmelzofen auf Basis der klassischen ZVS-Schaltung. [1]

Als Basis für den gesamten Aufbau dient ein fetter KüKo, den ich mal aus einem ausgesonderten Umrichter-Schaltschrank gemopst habe. Als MOSFETs verwende ich IRFP 4668 und als Caps verwende ich 10x WIMA FKP-1 220 nF in parallel, also insgesamt 2,2 µF. Die Drosseln habe ich bei Mouser bestellt und haben jeweils 104 µH bei 20 A max. Ein Doppellüfter von irgendeiner alten GraKa sorgt für die frische Brise. :ugly_lol: Der Graphit-Schmelztiegel inklusive Keramik-Becher kommt von eBay.

Die Elektronik sitzt auf einer Platine, die ich mit vertikalen Platinenhaltern (irgendwo mal ausgeschlachtet) auf dem KüKo befestigt habe. Ganz oben auf der Platine ist ein LC-Filter für die Gate-Vorspannung (s.u.), darunter sitzt die Standard Gate-Beschaltung der ZVS:

Etwas beefige Lötstellen überall, aber ich wollte ja alles niederohmig mit fetten Kabeln (6 mm²) haben: :ugly_lol:

Die Drosseln sind mit Kabelbinder(sockeln) und die Caps mit doppelseitigem Klebeband auf dem KüKo befestigt:

Die verwendeten Keramik-Klemmblöcke haben sich als sehr praktisch erwiesen, insbesondere um die Workcoil (4 mm Kupferrohr) und den Graphit-Tiegel mitsamt dem Keramik-Becher zu tragen:

Schalten wir das Ding mal ein. Bei 25 V zieht das Teil 3,5 A im Leerlauf, also OHNE Graphit-Tiegel. Sobald ich jedoch den Graphit-Tiegel eingesetzt habe, hat die Schaltung einfach aufgehört zu schwingen. Die Gatesignale waren einfach zu beschissen und die Belastung der Workcoil hat das Fass zum Überlaufen gebracht.

Damit das ganze funktioniert, musste ich die gewöhnliche ZVS-Schaltung etwas modifizieren. Und zwar habe ich 6n8-Caps parallel zu den Dioden und an die Gates nach GND gelötet. So ganz genau weiß ich nicht, warum es klappt, aber es hat den entscheidenden Unterschied gemacht. :ugly_lol:

Außerdem habe ich die Versorgung der Gate-Pull-Up-Widerstände mit einem LC-Glied geglättet und von der Hauptversorgung entkoppelt. Die Gate-Signale sind nun zwar immer noch alles andere als optimal, aber das Teil läuft jetzt akzeptabel stabil bei 25 V @ 20 A (500 W) mit eingesetztem Graphit-Tiegel! Die Frequenz liegt bei ca. 90 kHz.

Und so sieht das ganze fix und fertig von außen aus, eingebaut in eine Holzbox. Zugegebenermaßen hätte ich die Box noch etwas kleiner dimensionieren können, aber was solls. Auch die Belüftung kann man noch optimieren, funktioniert aber erstmal gut so mit dem Lochblech oben drauf:

Die Workcoil wurde einfach durch zwei Löcher im Holzgehäuse eingesteckt und verschraubt. Bislang habe ich auch bei längerem Testbetrieb noch kein verkokeltes Holz riechen dürfen. :troll:

Versorgt wird alles von einem fetten Eisenschwein (linear geregelt) mit 20 A @ 25 V (500 W). Der Leistungsschalter (oben rechts) ist notwendig, um die Schaltung schnell genug einschalten zu können, da die ZVS zum Anschwingen bekanntlich eine schnell ansteigende Spannung benötigt. Mit den fetten Elkos im Netzteil ist das über den Netzschalter allein nicht möglich.

Nach dem Aufheizen kontrolliere ich die Temperaturen im Innern der Box. Die MOSFETs haben angenehme 44 °C:

Das “heiße” Ende des Kühlkörpers hat annehmbare ~ 100 °C:

Die Caps haben ca. 60 °C, was vollkommen i. O. sein sollte:

Nach ca. 10 Minuten ist der Schmelztiegel auf Betriebstemperatur! :awesome:

Die Abstrahlung vom Schmelztiegel ist annehmbar, man kann bis auf einige Centimeter mit der Hand drangehen:

Auch der zur Ummantlung verwendete Glasfaserschlauch scheint die Hitze gut zu verkraften und hat sich nur etwas verfärbt. Die Ummantlung ist natürlich auch für die Berührungssicherheit essenziell, immerhin liegen an der Workcoil im Betrieb ca. 200 VAC an:

Zur Temperaturmessung verwende ich ein extrem billiges China-Thermometer (K-Typ) und eine Abgas-Temperatursonde (lol) als Schätzeisen, die ich erst noch miteinander verheiraten musste:

Wie man sieht, komme ich auf über 700 °C. (Ich habe erst den Tiegel aufgeheizt, dann den Strom abgestellt und dann erst die Temperatursonde eingelegt. Ansonsten würde auch die Sonde selbst induktiv erhitzt werden und übermäßig hohe Werte anzeigen.)

Später will ich damit mal Aluminiumpulver (Schmelzpunkt: 660 °C) für ein Spezialprojekt schmelzen. (Stay tuned! :troll:) Dem sollte nun also nichts mehr im Wege stehen.

Sicherlich wären auch noch deutlich höhere Temperaturen möglich, wenn der Schmelztiegel vernünftig wärmeisoliert würde. Außerdem ist die Schaltung spannungsmäßig (und thermisch) sicherlich noch nicht am Limit, aber mein Netzteil ist aktuell am Stromlimit…

Bin gespannt auf eure Kommentare!

PS: Einen Schaltplan reiche ich bei Bedarf gerne nach.


  1. Siehe z.B. hier, hier oder hier. ↩︎

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Hallo Paul,

Cooles Projekt. Ist die Stromaufnahme konstant oder verändert sich die Leistung mit der Temperatur?

Beim schmelzen von Eisen ist das Problem bei der ZVS ja immer, dass man nicht über die Curie-Temperatur kommt weil die Verluste im Werkstück und damit auch die Aufgenommene Leistung ab dem Punkt geringer werden. Beim LLC oder Serienresonanz Induktionsheizer hat das genau den gegenteiligen Effekt, die Güte steigt und es fließt noch mehr Strom.

Wird der Kühlkörper im Bereich zwischen Kondensatoren und Workcoil durch die Streufelder warm? Ich hab damals schlechte Erfahrungen gemacht irgendwas aus Metall in der Nähe der Leiterschleife zwischen Workcoil und Kondensatoren zu deponieren weil alles warm wurde.

Beste Grüße,
Thunderbolt

Hey Tunderbolt, supergeil, dass du mit an Bord bist! :smile:

Bei steigender Temperatur nimmt sich die Schaltung 1 oder 2 A mehr, hab nicht so genau draufgeguckt. Im Vergleich zum durchschnittlichen Strom von 20 A bei eingesetztem Tiegel jedenfalls nur eine kleine Änderung.

Durch welchen Einfluss der KüKö am “heißen Ende” wie warm wird weiß ich nicht. Ich denke mal, es ist eine Kombi aus Wärmeleitung von der Workcoil über den Klemmblock in den KüKo, und natürlich – wie du schon vermutest – durch Streufelder des Schwingkreises selbst.

Insofern ist der Aufbau sicherlich nicht optimal … aber ich freu mich, wenn es reicht, um mein Alupulver zu schmelzen. (Teste und berichte ich nächste Woche. :smiley: )

PS: Ich habe mich noch garnicht mit den verschiedenen anderen Topologien beschäftigst, die du da nennst. Muss ich mir mal reinziehen!

Gruß!

Hier ein paar Links wenn du dir einen Überblick verschaffen willst:

(hatte mich vertan, ist wohl LCLR topologie und nicht LLC, LLC waren Resonanzwandler… kommt davon, wenn man Hobby und Arbeit durcheinanderwirft)

SRC-Topologie
http://inductionheatertutorial.com/

Uzzor2k hat auf seiner seite beide Topologien beschrieben:

" 1600W PLL Series Resonant Induction Heater"

“PLL Induction Heater”

Und meine Threads im Forum:
LLC: [1,5kW] Induktionsofen
SRC: [3.5kW] Induction heater

Klarer Vorteil der ZVS ist natürlich dass die Schaltung relativ simpel ist :sweat_smile:

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Das muss ich auch mal probieren, meine etwas stärkere IGBT-ZVS hat dasselbe Problem. Manchmal läuft die Schaltung problemlos mit ein paar 100W, aber dann will sie auf einmal nicht mehr und hört auf zu schwingen :ugly_sad:

Warum denn Pulver? Wenn es mal flüssig ist, ist es eh egal in welcher Form es davor war. Nur bei Pulver hast du dann mehr Schlacke, weil eine größere Oberfläche auch mehr Oxide bilden kann.
Wenn das Pulver sehr fein ist, musst du auch aufpassen :ugly_hihi:

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Mach gern mal einen Thread auf zu deinem ZVS-Projekt mit IGBTs, das würde mich auch mal sehr interessieren! :slight_smile: Dann könntest du dort auch mal die Gatesignale zeigen…

Pulver will ich verwenden, da ich Alu und Eisen miteinander in einem bestimmten Verhältnis mischen will. Das Eisen schmilzt dabei nicht, sondern wird (möglichst gleichmäßig) im Alu eingeschlossen. Das ganze ist für ein mehr oder minder obskures Physikexperiment gedacht, mehr verrate ich hier aber noch nicht. :ugly_lol:

Das mit der Schlacke habe ich noch garnicht bedacht. :confused: Du scheinst damit Erfahrungen zu haben. Hast du Fotos oder Videos wo man beispielhaft sieht, wie viel Schlacke sich normalerweise bildet, und vorallem wie man die entfernt?

Und was meinst du mit aufpassen bei sehr feinem Pulver? Also meins ist ausm Chemiebedarf und schon so in der 100 µm-Region oder so…

Also ich würde das Pulver in den kalten Tiegel geben und dann eben langsam hochheizen, bis es schmilzt. Wenn ich es in den heißen Tiegel geben würde könnte ich mir vorstellen, dass das eine Sauerei geben würde?

Hi Paul,

wenn du was wirklich “kompliziertes” mit Untermischung oder “Vorlegierung” mit unterschiedlichen Materialien machen willst, hätte ich da auch noch ein Ass im Ärmel :upside_down_face:

Für mein letztes F&E-Projekt für die Firma (und auch vorher schon) habe ich mich mit “Nano-Laminieren” von Multimaterial-Schichten beschäftigt - dabei können die jeweils auflaminierten Schichten von ein paar µm Dicke bis runter zu ein paar 10 Nanometer betragen und müssen auch nicht homogen sein, sondern können beliebige Geometrien mit einer “Pixel-Auflösung” von um 30µm haben.

Pro “Schicht” kann ich auch das Material wechseln - also z.B. erst mit einem Material eine Geometrie/Muster erzeugen, dann das Material wechseln und in die noch freien Stellen mit diesem Material “auffüllen” … und solange immer noch freie Stellen sind oder ich andere Materialien da reinfüllen möchte, ist das praktisch “unbegrenzt” … und dann da darauf die nächste Schicht … u.s.w. … u.s.f. …

Stell dir das so vor, daß ich erst eine Schicht bzw. “Geometrie” mit einer dünnen Schicht Eisen erzeuge … dann da rein (oder da drauf) was mit Alu … nöchste Schicht … bis ein Block mit paar Millimeter Höhe auflaminiert ist, der innendrin eine beliebig komplexe Struktur aus Eisen und/oder Alu hat.

Ist schon so etwas in Richtung “high-tech-Nano-3D-Druck”, bekomme ich aber mit meinen Teilen auch schon im Keller hin :sunglasses:

Viktor

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wenn du was wirklich “kompliziertes” mit Untermischung oder “Vorlegierung” mit unterschiedlichen Materialien machen willst, hätte ich da auch noch ein Ass im Ärmel :upside_down_face:

Tausend dank für das Angebot, würde ich zukünftig ggf. mal drauf zurück kommen! :mosh:

Dein Sandwichmaker klingt jedenfalls super duper advanced! :ugly_lol:

Dieses Projekt liegt seit ein paar Monaten ganz hinten im Schrank, bis ich dafür mal wieder Zeit finde wird es eine Weile dauern, bin gerade im letzten Jahr meiner Schullaufbahn… Aber ich kann mich erinnern, dass die Gatesignale auch nicht besonders schön waren.

Hört sich interessant an :smiley:
Probleme die noch auftreten könnten, wären, dass

  1. das Ganze einfach nicht zusammenhält, eben wegen der Oxidschicht auf dem Alu, dadurch verbinden sich die einzelnen Partikel vielleicht gar nicht.
  2. das Eisen aufgrund seiner höheren Dichte nach unten rutscht.

Vielleicht wäre sintern eine bessere Möglichkeit. Davon hab ich aber gar keine Ahnung :ugly_gruebel:

Ein Mal hab ich bis jetzt Alu geschmolzen, aber eher große und saubere Teile (Kühlbleche von Magnetrons aus Mikrowellen), da ist nicht so viel Schlacke entstanden.


Entfernen kann man die Schlacke ganz einfach, weil sie im Normalfall leichter als das Metall ist und nach oben schwimmt (manchmal muss man mit umrühren ein bisschen nachhelfen). Da kann man einfach mit einem passend geformten Metallstück, z.B. einer Gabel oder einem Löffel, über die Oberfläche fahren, die Schlacke an den Rand schieben und dann rausheben. Ein bisschen Metall geht da immer mit, aber nicht besonders viel.

Naja, das fängt halt gerne mal an zu brennen, wenn es heiß genug wird :ugly_hihi:
In dem Bild vorhin hab ich nur kurz ein Feuerzeug drangehalten und dann 5-10s gewartet. Glaub das Pulver hat etwa 50µm Partikelgröße.

Die erste Methode ist sicher die bessere. Alupulver verhält sich ungefähr so wie Magnesium wenn man es in eine Flamme bläst (blendend helle Stichflamme :mosh:). Ein heißer Tiegel ist zwar nicht dasselbe wie offenes Feuer, aber man weiß ja nie.

@VDX warst du in der Zukunft? Ich kann kaum glauben dass so etwas schon möglich ist :ugly_klatsch: Wie genau funktioniert das? Also wie wird diese Schicht aufgetragen?

@VDX warst du in der Zukunft? Ich kann kaum glauben dass so etwas schon möglich ist :ugly_klatsch: Wie genau funktioniert das? Also wie wird diese Schicht aufgetragen?

Ohne jetzt groß was zu verraten - das eigentliche “Verfahren” ist seit etwa 50 Jahren bekannt bzw. wurde damals zum ersten Mal patentiert - damals noch mit “fokussiertem Licht”.

Nachdem der Laser entwickelt wurde und auch industriell eingesetzt wird, ist das dann nochmal mit “Laser” statt “Licht” optimiert und umbenannt worden :sunglasses:

Um das Daheim aufzubauen, brauche ich was mit Vakuum oder Schutzgas – für Vakuum habe ich nocht nichts, aber schon was mit Schutzgas - hatte mir für ein anderes Projekt zu “laserunterstütztem Metall-FDM-3D-Druck” eine 10l/200bar Argon-Flasche und die Armaturen dafür besorgt … die Argon-Flasche hat noch 100bar …

Viktor

*** EDIT *** - um doch noch was dazu zu zeigen - hier hatte ich das mal “ganz simpel” und ohne Schutzgas-Aufbau mit schwarzem Lack gezeigt – für Metall brauchts dann natürlich eine andere Vorbeschichtung und eben einen Schutzgas-Aufbau und etwas “Handling-Optimierung” … sonst ist es das gleiche Prinzip :sunglasses:

… das geht übrigens auch mit den kleinen Laserdioden-Dingelchen:

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Hallo und einen schönen :sun_with_face: guten Abend, ich denke mal, mit Metallpulver -chen ist nicht zu spaßen, und mit Eisen und Aluminum haste im nu eine Thermit- Reaktion. Gut :+1: da brauchts auch erst mal Eisenoxid und Start- Temperaturen um 1500 Grad Celsius bis zum Big Bada - Boom. Viele herzliche Grüße von axonf

Das wär doof… :sweat_smile: Ich hoffe einfach mal, dass durch die Zähflüssigkeit des geschmolzenen Aluminiums die Eisenpartikel auch während des Abkühlvorgangs in der Gussform irgendwie gleichmäßig verteilt bleiben. Insgesamt werde ich auch nur 5% Eisen hinzugeben.

Ja, eventuell. Müsste mich mal damit beschäftigen. Hat hier jemand Erfahrungen mit Sintern?! Wenn ich es richtig verstanden habe, müsste ich das Pulvergemisch ja erstmal IRGENDWIE stark verdichten. Und dann “backen”…

Alles klar, ich leg mir mal nen Löffel bereit! :ugly_lol:

Achso, krass, dass das so schnell geht. ^^

So weit kommt mein Gerät glücklicherweise nicht hoch. :laughing:

… was in der Richtung evtl. auch noch gehen könnte (Eisen ist “edler” bzw. elektronegativer als Aluminium) - die Eisenpartikel “schwimmend” in einem “übersättigten” Aluminiumlösungs-Bad herumwirbeln lassen, bis sich eine ausreichend dicke Aluminiumhaut auf den Eisenpartikeln bildet … die kann man dann gut sintern …

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Das klingt ziemlich geil! Leider habe ich von Chemie tendenziell noch weniger Ahnung als vom Sintern. :sweat_smile: Keine Ahnung was du mit Alu-Lösung meinst?!

Hallo und einen schönen :sun_with_face: Sonntagmorgen, hallo grüß dich Paul, nochmals gratulation für den gelungenen dij ZVS Induktionsheizer, perfekt verarbeitet, sehr nice :innocent:. Für mehr an Leistung brauchts schon zwei Mosfets parallel, mit Symmetrie- Gate Widerständen ca. 10 Ohm. Auch sollte man ne Eingangsspannung mit ca 100 Volt anpeilen, herunter - regeln kann man da immer noch. Das Gehäuse mit Siebdruckplatten ist ist super verarbeitet, nur würde ich im Bereich der Induktionsspule noch zwei Platten aus Kalziumsilikat einbauen oder etwas vom Ofenbauer nehmen. Mit richtigen Kondensatoren für Induktions - Anwendungen, wie von Celem haste eben auch noch nen niedrigeren ESR, und nochmals mehr an Strom im Schwingkreis. Viele herzliche Grüße von axonf.

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… da Alu sich in “wässrigen Lösungen” nicht galvanisch abscheiden läßt, wird das mit “ionischen Lösungen” gemacht, von denen es mehrere Varianten mit organischen Molekülen wie Toluol o.Ä. gibt … ich weiß auch nicht, ob das so “freischwebend” geht - normal wird das als Platten/Elektroden mit elektrischem Strom gemacht.

Ich weiß aber, daß Metalle in “übersättigten” Lösungen gerne dazu tendieren auszufallen … evtl. hier auch?

Servus Thunderbold,

einfach nur der Hammer!

Selbst bin ich Elektriker und Elektronik nur am Rande als Bastler mehr oder weniger.
Staune immer wieder über Projekte, die aus dem Nichts heraus entwickelt und umgesetzt werden.

Beste Grüße
Fritz

Hallo und einen schönen :sun_with_face: Sonntag, hallo VDX, über den chemischen Weg kann ich wenig dazu beitragen. Über die Pulver - Metallurgie kann man neue Legierungen entwickeln, siehe auch PREP Verfahren. Daneben gehts auch über die klassische Variante, vorlegieren mit ner Lichtbogenschmelze und anschließendes homogenisieren im Elektronenstrahl - Verfahren. Geht natürlich auch induktiv, wenn die Schmelzpunkte nicht so hoch sind, da muß aber die Schmelze abgedeckt werden, wenn dies nicht im Vakuum - inert geschieht. Beim Kunden macht man das mit Wasserstoff oder mit Kohlenmonoxid oder eben beim chlorrieren mit Chlorgas, alles nicht ganz gesund und ungefährlich. Beim induktiven dij schmelzen nimmt man Schmelz - Salze zum abdecken, wie z. B. Borax, ist eben auch als Krebserregend eingestuft. Viele herzliche Grüße von axonf.

… was ich bei den “dünnen Schichten” bemerkt hatte - wenn ich mit extrem wenig Leistung “transferiere”, dann kann ich noch “originales” ungeschmolzenes Material auftragen/laminieren.

Wen ich die Leistung graduell erhöhe, wird das transferierte Material jeweils heißer/flüssiger, bis es teilweise bis komplett als Dampf ausgeworfen wird und dann ein Teil davon auf der Target-Oberfläche kondensiert.

Wenn ich dann nach dem Entfernen des Zwischenträgers nochmal drüberlasere, kann ich die Target-Oberfläche wiederum von “erwärmen” über “aufschmelzen” bis zum “verdampfen” beliebig bearbeiten.

Bei manchen Einstellungen wird das auch noch interessanter, wenn ich z.B. die auflaminierten Schichten mit dem Aufschmelzen “durchwalke” – dabei können die einzelnen Schichten, wenn sie aus unterschiedlichen Materialien aufgebaut sind, auch wiederum zu Legierungen “durchmischt” werden.

Mit viel Herumprobieren und Variieren der Schichtzusammensetzung oder auch “Geometrie-Variation” für z.B. 3D-Rasterung innerhalb einer Schicht und zwischen den einzelnen Schichten, dürften da noch viel mehr interessante Interaktionen möglich sein - z.B. Variation der 3D-Strukturen und Legierungen durch den Körper hindurch - z.B. Harte Außenhaut, hochfeste/zähe Stützstrukturen innerhalb und weiche/puffernde “Taschen” zwischen den Stürzstrukturen für Dämpfen von Impakt oder Vermeidung von Mikrorissen.

Was mir da als Allererstes so einfällt, wären z.B. “kugelsichere überlappende Drachenschuppen” für Bierdeckel große Platten für stichfeste und kugelsichere Klamotten oder Protektoren … oder auch hochfeste superstabile Rahmen für Fahrräder, Motorräder oder sonstige Fahr- und Flug-Zeuge … und noch viel mehr für z.B. Architektur oder Mikrostrukturen :sunglasses:

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Nettes Projekt, ich finde Induktions-Erhitzer immer toll!

Die Workcoil ist vielleicht etwas nah am Kühlkörper (wie bereits angemerkt), aber Respekt für den schönen und sauberen Aufbau - viel besser als was ich üblicherweise hinbekomme! :grinning:

Wie schon thunderbolt geschrieben hat, kannst du dir auch “bessere” Topologien anschauen, wenn du gern mehr Kontrolle, besseres Startup oder mehr Leistung etc. hättest. Ist natürlich dann komplexer als die einfache ZVS.

Sollte dich Theorie zu Induktions-Schmelzen / Erhitzen interessieren, kann ich die folgenden Bücher empfehlen, die mir zu einem besseren Verständnis verholfen haben:

  • Basics of Induction Heating - Chester A. Tudbury, 1960 ist zwar schon recht alt, aber gerade deshalb auch recht interessant weil es eher mit intuitivem Verständnis + Faustregeln arbeitet, für unsere Zwecke eh sinnvoller als exakte Berechnung
  • Handbook of Induction Heating, Second Edition - Rudnev, 2017 hat den aktuellen Stand der Technik inklusive moderner Topologien

Natürlich ist vieles nicht wirklich relevant für uns, aber die meisten Kapitel sind trotzdem interessant, z.B. die ganzen Anwendungsbereiche (kann man ja überfliegen).

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