123บทความวจย วารสารวชาการ วศวกรรมศาสตร ม.อบ. ปท 8 ฉบบท 1 มกราคม - มถนายน 2558

rats liver preparations. Pesticide Biochemistry and Physiology. 87: 238-247.

[6] Landis, W.G. and Yu M.H. 1995. Introduction to Environmental Toxicology: Impacts of Chemicals Upon Ecological Systems. CRC Press, Boca Raton.

[7] ส านกงานมาตรฐานสนคาเกษตรและอาหารแหงชาต. 2557. สารพษตกคาง : ปรมาณสารพษตกคางสงสด.ส านกงานมาตรฐานสนคาเกษตรและอาหารแหงชาต กระทรวงเกษตรและสหกรณ.

[8] Zamy C., Mazellier P., Legube B. 2004. Phototransformation of selected organophosphorus pesticides in dilute aqueous solutions. Water Research. 38:2305-2314.

การศกษาการปรบก าลงแบบจ ากดดวตไซเคลแบบอสมมาตร ส าหรบงานเตาหลอมแบบเหนยวน าความรออน

Study of Asymmetrical Duty Cycle Power Control for Induction Furnace

บญทน ศรบญเรอง คณะครศาสตรอตสาหกรรม มหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคลธญบร อ.ธญบร จ.ปทมธาน 12110

Boontan Sriboonrueng

Faculty of Technical Education, Rajamangala University of Technology Thanyaburi, Thanyaburi, Pathum thani,12110

Tel : 08-1830-5456 E-mail: s_boontan@hotmail.com บทคดยอ งานวจยนไดท าการศกษาการปรบก าลงแบบการปรบดวตไซเคลแบบอสมมาตรทมการจ ากดมมดวตไซเคล ส าหรบงานเตาหลอมแบบเหนยวน าความรอน ดวยวงจรอนเวอรเตอรแบบคลาสดทมโหลดตอแบบอนกรม โดยการถายเทพลงงานความรอนผานเบาหลอมแกรไฟตท าใหทองเหลองหลอมปรมาณ 300 กรม ภายในระยะเวลา 40 นาท โดยระบบมการควบคมใหท างานทความถสงกวาเรโซแนนซทความถคงทตลอดยานการท างาน ทดสอบดวยระบบแรงดนไฟฟากระแสสลบ 3 เฟส 170 โวลต 50 เฮรตซ จากหมอแปลงสามเฟสแบบออโต สวตชท างานทความถประมาณ 35 กโลเฮรตซเปนแหลงจายใหกบชดขดลวดเหนยวน า ขณะทดสอบทก าลงไฟฟา 883 วตต ค าหลก การควบคมแบบดวตไซเคล ควบคมจ ากด อนเวอรเตอรแบบคลาสด งานหลอมแบบเหนยวน า Abstract This research studies the asymmetrical duty cycle power control with limited angle of duty cycle for brass furnace. It is constructed by using the class D voltage source inverter in series resonant load by transferring the heat energy through the graphite crucible for 300 grams melting of the brass in 40 minutes. The system is controlled to operate at a higher frequency than the resonance frequency

mode at the constant frequency. The prototype is tested at the input three-phase AC voltage 170 V, 50 Hz from three phase auto transformer through a rectifier into a DC voltage to be supplied to the inverter supply voltage half-bridge about 35 kHz switching frequency at the rated power 883 W. Keywords: duty cycle control, limit control, class D inverter, induction melting 1. บทน า

หลกการการเหนยวน าความรอน (induction heating) ถกน ามาใชในโรงงานอสาหกรรมหลอมโลหะทมความตองการความรอนทชนงานสง เนองจากเปนการใหความรอนทมประสทธภาพสง จงประหยดพลงงานไฟฟากวาแบบขดลวดความรอน และปลอดภยกวาการใชแกสหงตม ซงในอดตการหลอมโลหะจะท าโดยใชเตาหลอมจากเปลวไฟซงจะกอใหเกดเขมาของควนไฟ และไมสามารถควบคมอณหภมไดอยางสม าเสมอ [1]

โลหะแบงออกเปน 2 ชนดใหญๆ ดวยกนคอ โลหะแบบมสารแมเหลก เชน เหลกทมสวนผสมคารบอน เปนตน และโลหะทไมมสารแมเหลกซงไดแก ทอง ดบก เงน และทองแดงเปนตน โลหะแบบไมมสารแมเหลกจะมความตานทานทต ากวาโลหะแบบมสารแมเหลกเนองมคา ซมซาบแมเหลกใกลเคยง 1 ท าใหการหลอมโลหะแบบไมมสารแมเหลกยากกวา เนองจากอตราสวนความตานทานระหวางขดลวดเหนยวน ากบชนงานมคาใกลเคยงกน

124 บทความวจย วารสารวชาการ วศวกรรมศาสตร ม.อบ. ปท 8 ฉบบท 1 มกราคม - มถนายน 2558

โดยเฉพาะอยางยงงานหลอมทองหรอดบกเพอใชเปนเครองประดบ [2-5]

ปจจบนทองเหลองไดรบความนยมมากขนในกลมสถาปนก มณฑนากร รวมทงนกตกแตงทวไป โดยน ามาใชงานสถาปตยกรรมและงานตกแตงภายในทงอาคารพาณชยและบานเรอนไดรบความนยมทวโลก เนองจากทองเหลองเปนโลหะทเปนมตรกบสงแวดลอม เพราะทงทองแดงและสงกะสซงเปนสวนประกอบของทองเหลองตางกผลตขนมาดวยกระบวนการทใชพลงงานอยางมประสทธภาพ ทส าคญยงกวานนคอในบรรดาโลหะทน ามาใชในอตสาหกรรมทงหลาย ทองเหลองจดเปนโลหะประเภทหนงทน ามาหมนเวยนใชใหมไดอยางมประสทธภาพมากทสดจนแทบจะไมมการทงวสดหรออปกรณทองเหลองทไมใชแลวไปโดยเปลาประโยชน เพราะสามารถน ากลบมาหลอมใหมเพอใชประโยชนตอไปไดอกหลายครง

การเหนยวน าความรอนทใชในงานหลอมโลหะนนจะใชสารกงตวน ามาเปนสวตชจะท างานอยในรปของวงจรอนเวอรเตอร ส าหรบงานทขนาดก าลงไฟฟาไมสงมาก เพอใหขนาดของเครองมราคาถกลง อนเวอรเตอรชนดแหลงจายแรงดนจงถกน ามาประยกตใชในงานการเหนยวน าความรอน ซงเตาหลอมขนาดเลกจะมทงวงจรอนเวอรเตอรชนดเตมบรดจและครงบรดจทมการควบคมแตกตางกนไป เชน การปรบความถ [1-6] ซงถกใชกนอยางมากแตมขอเสยคอมการสญเสยขณะปรบความถโดยเฉพาะอยางยงตอนสวตชหยดน ากระแสทคายอดสงสดซงอาจท าใหอนเวอรเตอรเสยหายได นอกจากนยงมวธอนทนยมมากคอวธการปรบก าลงแบบดวตไซเคล และการเลอนเฟส (phase shift) ซงเปนวธทมประสทธภาพสงกวาแตการควบคมทงสองแบบมขอจ ากดคอขณะปรบก าลงในจดทก าลงต ามากๆท าใหสญเสยสภาวะการท างานของอนเวอรเตอรในโหมดทความถสงกวาเรโซแนนซเปนต ากวาเรโซแนนชได เตาหลอมเหนยวน าในงานอตสาหกรรมมความตองการใชงานตอเนองเปนระยะเวลานานมาก ดงนนเตาหลอมจงตองมเสถยรภาพสง งานวจยนไดท าการศกษาการปรบก าลงแบบการปรบดวตไซเคลแบบอสมมาตรทมการจ ากดมมดวตไซเคล ส าหรบงานเตาหลอมแบบเหนยวน าความรอน ดวยวงจรอนเวอรเตอรแบบคลาสดทมโหลดตอแบบ

อนกรม โดยการถายเทพลงงานความรอนผานเบาหลอมแกรไฟตท าใหทองเหลองหลอมปรมาณ 300 กรม ภายในระยะเวลา 10 นาท โดยระบบมการควบคมใหท างานทความถสงกวาเรโซแนนซทความถคงทตลอดยานการท างาน ทดสอบดวยระบบแรงดนไฟฟากระแสสลบ 3 เฟส 170 โวลต 50 เฮรตซ สวตชท างานทความถประมาณ 35 กโลเฮรตซเปนแหลงจายใหกบชดขดลวดเหนยวน า ขณะทดสอบทก าลงไฟฟา 883 วตต 2. เตาหลอมแบบเหนยวน า เคร อง ใหความรอนแบบเหน ยวน า ท ใชว งจรอนเวอรเตอรแบบคลาสดแสดงดงรปท 1 แบงออกเปน 4 สวน ซงประกอบไปดวย สวนตางๆ ดงน วงจรเรยงกระแส อนเวอรเตอรแบบครงบรดจชนดแหลงจายแรงดนหมอแปลงความถสงและชดโหลดเรโซแนนซแบบอนกรม

Lf

C2

S1

S2

D1

D2Req

L coil

Cr

250 V50 Hz

C1

รปท 1 วงจรอนเวอรเตอรแบบคลาสดในเครองหลอมทองเหลอง แบบเหนยวน าความรอนทน ามาทดสอบ 2.1 โหมดการท างานของอนเวอรเตอร

(a) โหมดท 1 0 1t t

(b) โหมดท 2 1 2t t

(c) โหมดท 3 2 3t t

(d) โหมดท 4 3 4t t

รปท 2 โหมดการท างาน 4 โหมด

การท างานของวงจรแบงออกไดเปน 4 ชวงคอ ชวงท 1 รปท 2 (a) ชวงเวลา t0- t1ขณะทสวตซ S1 และ

S2 หยดน ากระแส ไดโอด D1 น ากระแสในชวงทกระแสเปนลบ

ชวงท 2 รปท 2 (b) ชวงเวลา t1- t2เมอกระแสเปนศนย สวตซ S1 จงน ากระแส ท าใหเกดกระแสชวง บวก

ชวงท 3 รปท 2 (c) ชวงเวลา t2- t3เมอสวตซ S1 หยด น ากระแสไดโอด D2 จงน ากระแส

ชวงท 4 รปท 2 (d) ชวงเวลา t3- t4หลงจากกระแสไหลผานไดโอดเปนศนยสวตซ S2 จงเรมน ากระแสโดยชวงนจะเปนสวตซทแรงดนเปนศนย

S1

S 2

0

π 2π

t0

t1

t2

t3

t4

Mode 1 Mode 2 Mode 3 Mode 4

D2

D1

S1

S2

0

0

VDC

ovoi

รปท 3 รปคลนกระแสกบแรงดนดานออกของอนเวอรเตอรท สมพนธกบสญญาณเกตมอสเฟต จากรปท 3 สามารถหาก าลงไฟฟาเฉลยดานออกไดตามสมการท 1

(1)

cos2 mmVIP

2.1 ลกษณะโหลด วงจรสมมลของวงจรเรโซแนนซแบบอนกรมประกอบไปดวยความตานมานตออนกรม (Rs), อนดกแตนซ (Lp) และ ตวเกบประจชดเชย (Cr) แรงดนทตกครอมตวเกบประจชดเชยจะมคาสงขนกบสมประสทธ คณภาพของขดลวดเหนยวน า สามารถค านวณไดดงสมการท (2)

2

.4,

rDCpeakC

QVV

(2)

โดยท VDC คอคาแรงดนทดซบสและ Qr คอ

125บทความวจย วารสารวชาการ วศวกรรมศาสตร ม.อบ. ปท 8 ฉบบท 1 มกราคม - มถนายน 2558

(b) โหมดท 2 1 2t t

(c) โหมดท 3 2 3t t

(d) โหมดท 4 3 4t t

รปท 2 โหมดการท างาน 4 โหมด

การท างานของวงจรแบงออกไดเปน 4 ชวงคอ ชวงท 1 รปท 2 (a) ชวงเวลา t0- t1ขณะทสวตซ S1 และ

S2 หยดน ากระแส ไดโอด D1 น ากระแสในชวงทกระแสเปนลบ

ชวงท 2 รปท 2 (b) ชวงเวลา t1- t2เมอกระแสเปนศนย สวตซ S1 จงน ากระแส ท าใหเกดกระแสชวง บวก

ชวงท 3 รปท 2 (c) ชวงเวลา t2- t3เมอสวตซ S1 หยด น ากระแสไดโอด D2 จงน ากระแส

ชวงท 4 รปท 2 (d) ชวงเวลา t3- t4หลงจากกระแสไหลผานไดโอดเปนศนยสวตซ S2 จงเรมน ากระแสโดยชวงนจะเปนสวตซทแรงดนเปนศนย

S1

S 2

0

π 2π

t0

t1

t2

t3

t4

Mode 1 Mode 2 Mode 3 Mode 4

D2

D1

S1

S2

0

0

VDC

ovoi

รปท 3 รปคลนกระแสกบแรงดนดานออกของอนเวอรเตอรท สมพนธกบสญญาณเกตมอสเฟต จากรปท 3 สามารถหาก าลงไฟฟาเฉลยดานออกไดตามสมการท 1

(1)

cos2 mmVIP

2.1 ลกษณะโหลด วงจรสมมลของวงจรเรโซแนนซแบบอนกรมประกอบไปดวยความตานมานตออนกรม (Rs), อนดกแตนซ (Lp) และ ตวเกบประจชดเชย (Cr) แรงดนทตกครอมตวเกบประจชดเชยจะมคาสงขนกบสมประสทธ คณภาพของขดลวดเหนยวน า สามารถค านวณไดดงสมการท (2)

2

.4,

rDCpeakC

QVV

(2)

โดยท VDC คอคาแรงดนทดซบสและ Qr คอ

126 บทความวจย วารสารวชาการ วศวกรรมศาสตร ม.อบ. ปท 8 ฉบบท 1 มกราคม - มถนายน 2558

สมประสทธคณภาพของขดลวดเหนยวน าสามารถค านวณหาไดดงสมการท (3)

1r eqr

eq r r eq

LQ

R C R

(3)

ωr คอความถเชงมมทเรโซแนนซ ωr = 2πfr โดยท fr คอความถเรโซแนนซ หาไดตามสมการท (4)

12r

eq r

fL C

(4)

คาอมพแดนซรวมของวงจรเรโซแนนซแบบอนกรม สามารถหาไดตามสมการท 5

22 1ˆ 1eq eq r n

n

Z R Q hfhf

(5)

โดยท h อนดบของฮาโมนกส และ fn is อตราสวนความถ (fs / fr). มมเฟส vi ระหวางแรงดน voh กบกระแสดานออกของอนเวอรเตอร สามารถหาไดตามสมการท 6

1 1 1tan tanr

eq

CL

vih r neq n

XhX h Q hfR hf

(6)

กระแสดานออกของอนเวอรเตอร io สามารถหาไดตามสมการท (7)

20

2 11

ˆˆ ohoh

h

r neqn

Q hfhf

VI

R

(7)

ดงนนก าลงไฟฟาดานออกของอนเวอรเตอร Po สามารถหาไดตามสมการท (8)

2,

0

2

20 2

ˆ

12 1

o oh rms eqh

oh

h

eq r nn

P I R

V

R Q hfhf

(8)

2.2 การจ ากดดวตไซเคล กา ร ค วบค ม แ บบ จ า กด ด ว ต ไ ซ เ ค ล เ พ อ ใ หอนเวอรเตอรท างานในโหมดน ากระแสทแรงดนเปนศนย โดยการหลกเลยงไมใหปรบคาดวตไซเคลขณะท างานมากเกนไป

0.5tan 180 / 21001

nn

D

Q

(9)

ทซง r

Sn

, n คออตราความถเชงมมขณะสวตช

กบความถเชงมมเรโซแนนซ หลกการควบคมแสดงในรปท 5 โดยประกอบไปดวยระบบเซนเซอรทท าหนาทวดสญญาณกระแสและสญญาณแรงดนเพอน าไปค านวณเพอท าการจ ากดดวตไซเคลไมใหเกนขอบเขตซงสามารถค านวณจากสมการท 9 โดยคาดวตไซเคลจะไมเกน

nn

1 เพอไมใหสญเสยการสวตชขณะแรงดนเปน

ศนย เนองจากขณะปรบมมดวตไซเคลแบบอสมมาตรท าใหท าใหเกดการเลอนมมเฟสท าใหเกดการสญเสยการน ากระแสทแรงดนเปนศนย [6] ดงนนจ าท าการเกบผลรปคลนแรงดนและกระแสทไหลผานสวตชและท าการปรบดวตไซเคลเพอศกษาการเลอนของมมเฟส โดยแสดงในรปท 4 การสญเสยทสวตชขณะน ากระแสจะเรมเมอปรบดวตไซเคลท 17 เปอรเซนต

Vo

Is2

NONZVS

รปท 4 รปคลนสญญาณแรงดนและกระแสทออกจากเอาตพตทคา รอบท างาน 17 เปอรเซนต (Vo : 100V/div, IS2 : 10

A/div,Time : 5 s /div)

STM32 F3 Microcontroller

desiredP

oiOutput Voltage

&Current Sensor

ov

oi

ov

PWMGate

Drivers

S1,S2

Output Power Control

Duty Cycle Limit

sf &

Inverter

รปท 5 การควบคมแบบจ ากดดวตไซเคลทน าเสนอ 2.3 การออกแบบและคาพารามเตอรของขดลวดเหนยวน า การออกแบบขดเหนยวน าความรออน (Lcoil) โดยทวไปแลวขดลวดเหนยวน าจะท าขนจากทอทองแดงกลวง ทงนเพราะทองแดงเปนตวน าไฟฟาไดดท าใหมก าลงสญเสยในขดลวดเหนยวน าต า ซงจะมผลท าใหระบบมประสทธภาพสงอยางไรกดเน องจากความหนาแนนของกระแสในขดลวดเหนยวน ามคาสง ความรอนทเกดจากกระแสทไหลในขดลวดเหนยวน าจะมคามาก ดงนนจงตองใชทอทองแดงกลวง เพอใหสามารถระบายความรอนโดยใชของเหลว เชน น า ผานเขาไปในทอได เปนตน ส าหรบชนงานทใชเปนทรงกระบอกมเสนผานศนยกลาง 75 mm. สง 74 mm. โดยมระยะหางระหวางผวนอกของชนงานกบผวภายในของขดลวดเหนยวน าใหเหมาะสมและใหสะดวกในการวางชนงาน สวนขดเหนยวน าเปนทอทองแดงกลวงมขนาดเสนผานศนยกลางภายนอก 1/4" สามารถพนไดทงหมด 15 รอบ จากนนน าไปเชอมตอกบแผนทองแดงเพอใชเปนขวไฟฟา และใชน าระบายความรอนภายในขดลวดทองแดง เนองจากกระแสทขดเหนยวน ามคาสง ขดเหนยวน าทออกแบบและสรางขนมลกษณะเปนดงรปท 6

wd

ch wh

cd

cN

รปท 6 ขดลวดเหนยวน าทไดออกแบบและสราง

(แสดงภาพตดขวาง) โดยท cN คอ จ านวนรอบของทอทองแดงขดเหนยวน า wh คอ ความสงของชนงาน ch คอ ความสงของทอทองแดงขดเหนยวน า cd คอ เสนผานศนยกลางภายในของทอทองแดงขดเหนยวน า wd คอ เสนผานศนยกลางของชนงาน เนองจากตองการเลอกจดการท างานทเหมาะสม หลงจากออกแบบขดลวดเหน ยวน า จงท าการวดพาราม เตอรขอ งขดลวด เหน ย วน าท ค ว ามถ 20 กโลเฮรตซ ถง 100 กโลเฮรตซ ขณะไมมเบาแกรไฟตแสดงดงรปท 7 และมเบาแกรไฟตแสดงดงรปท 8

รปท 7 พารามเตอรของขดลวดเหนยวขณะไมมเบาแกรไฟต คาอน ดกแตนซ (Lp) คาคณภาพขดลวด (Q) และ คาความ ตานทาน (Rs)

127บทความวจย วารสารวชาการ วศวกรรมศาสตร ม.อบ. ปท 8 ฉบบท 1 มกราคม - มถนายน 2558

สมประสทธคณภาพของขดลวดเหนยวน าสามารถค านวณหาไดดงสมการท (3)

1r eqr

eq r r eq

LQ

R C R

(3)

ωr คอความถเชงมมทเรโซแนนซ ωr = 2πfr โดยท fr คอความถเรโซแนนซ หาไดตามสมการท (4)

12r

eq r

fL C

(4)

คาอมพแดนซรวมของวงจรเรโซแนนซแบบอนกรม สามารถหาไดตามสมการท 5

22 1ˆ 1eq eq r n

n

Z R Q hfhf

(5)

โดยท h อนดบของฮาโมนกส และ fn is อตราสวนความถ (fs / fr). มมเฟส vi ระหวางแรงดน voh กบกระแสดานออกของอนเวอรเตอร สามารถหาไดตามสมการท 6

1 1 1tan tanr

eq

CL

vih r neq n

XhX h Q hfR hf

(6)

กระแสดานออกของอนเวอรเตอร io สามารถหาไดตามสมการท (7)

20

2 11

ˆˆ ohoh

h

r neqn

Q hfhf

VI

R

(7)

ดงนนก าลงไฟฟาดานออกของอนเวอรเตอร Po สามารถหาไดตามสมการท (8)

2,

0

2

20 2

ˆ

12 1

o oh rms eqh

oh

h

eq r nn

P I R

V

R Q hfhf

(8)

2.2 การจ ากดดวตไซเคล กา ร ค วบค ม แ บบ จ า กด ด ว ต ไ ซ เ ค ล เ พ อ ใ หอนเวอรเตอรท างานในโหมดน ากระแสทแรงดนเปนศนย โดยการหลกเลยงไมใหปรบคาดวตไซเคลขณะท างานมากเกนไป

0.5tan 180 / 21001

nn

D

Q

(9)

ทซง r

Sn

, n คออตราความถเชงมมขณะสวตช

กบความถเชงมมเรโซแนนซ หลกการควบคมแสดงในรปท 5 โดยประกอบไปดวยระบบเซนเซอรทท าหนาทวดสญญาณกระแสและสญญาณแรงดนเพอน าไปค านวณเพอท าการจ ากดดวตไซเคลไมใหเกนขอบเขตซงสามารถค านวณจากสมการท 9 โดยคาดวตไซเคลจะไมเกน

nn

1 เพอไมใหสญเสยการสวตชขณะแรงดนเปน

ศนย เนองจากขณะปรบมมดวตไซเคลแบบอสมมาตรท าใหท าใหเกดการเลอนมมเฟสท าใหเกดการสญเสยการน ากระแสทแรงดนเปนศนย [6] ดงนนจ าท าการเกบผลรปคลนแรงดนและกระแสทไหลผานสวตชและท าการปรบดวตไซเคลเพอศกษาการเลอนของมมเฟส โดยแสดงในรปท 4 การสญเสยทสวตชขณะน ากระแสจะเรมเมอปรบดวตไซเคลท 17 เปอรเซนต

Vo

Is2

NONZVS

รปท 4 รปคลนสญญาณแรงดนและกระแสทออกจากเอาตพตทคา รอบท างาน 17 เปอรเซนต (Vo : 100V/div, IS2 : 10

A/div,Time : 5 s /div)

STM32 F3 Microcontroller

desiredP

oiOutput Voltage

&Current Sensor

ov

oi

ov

PWMGate

Drivers

S1,S2

Output Power Control

Duty Cycle Limit

sf &

Inverter

รปท 5 การควบคมแบบจ ากดดวตไซเคลทน าเสนอ 2.3 การออกแบบและคาพารามเตอรของขดลวดเหนยวน า การออกแบบขดเหนยวน าความรออน (Lcoil) โดยทวไปแลวขดลวดเหนยวน าจะท าขนจากทอทองแดงกลวง ทงนเพราะทองแดงเปนตวน าไฟฟาไดดท าใหมก าลงสญเสยในขดลวดเหนยวน าต า ซงจะมผลท าใหระบบมประสทธภาพสงอยางไรกดเน องจากความหนาแนนของกระแสในขดลวดเหนยวน ามคาสง ความรอนทเกดจากกระแสทไหลในขดลวดเหนยวน าจะมคามาก ดงนนจงตองใชทอทองแดงกลวง เพอใหสามารถระบายความรอนโดยใชของเหลว เชน น า ผานเขาไปในทอได เปนตน ส าหรบชนงานทใชเปนทรงกระบอกมเสนผานศนยกลาง 75 mm. สง 74 mm. โดยมระยะหางระหวางผวนอกของชนงานกบผวภายในของขดลวดเหนยวน าใหเหมาะสมและใหสะดวกในการวางชนงาน สวนขดเหนยวน าเปนทอทองแดงกลวงมขนาดเสนผานศนยกลางภายนอก 1/4" สามารถพนไดทงหมด 15 รอบ จากนนน าไปเชอมตอกบแผนทองแดงเพอใชเปนขวไฟฟา และใชน าระบายความรอนภายในขดลวดทองแดง เนองจากกระแสทขดเหนยวน ามคาสง ขดเหนยวน าทออกแบบและสรางขนมลกษณะเปนดงรปท 6

wd

ch wh

cd

cN

รปท 6 ขดลวดเหนยวน าทไดออกแบบและสราง

(แสดงภาพตดขวาง) โดยท cN คอ จ านวนรอบของทอทองแดงขดเหนยวน า wh คอ ความสงของชนงาน ch คอ ความสงของทอทองแดงขดเหนยวน า cd คอ เสนผานศนยกลางภายในของทอทองแดงขดเหนยวน า wd คอ เสนผานศนยกลางของชนงาน เนองจากตองการเลอกจดการท างานทเหมาะสม หลงจากออกแบบขดลวดเหนยวน า จงท าการวดพาราม เตอรขอ งขดลวด เหน ย วน าท ค ว ามถ 20 กโลเฮรตซ ถง 100 กโลเฮรตซ ขณะไมมเบาแกรไฟตแสดงดงรปท 7 และมเบาแกรไฟตแสดงดงรปท 8

รปท 7 พารามเตอรของขดลวดเหนยวขณะไมมเบาแกรไฟต คาอน ดกแตนซ (Lp) คาคณภาพขดลวด (Q) และ คาความ ตานทาน (Rs)

128 บทความวจย วารสารวชาการ วศวกรรมศาสตร ม.อบ. ปท 8 ฉบบท 1 มกราคม - มถนายน 2558

รปท 8 พารามเตอรของขดลวดเหนยวขณะมเบาแกรไฟต คาอนดก แตนซ (Lp) คาคณภาพขดลวด(Q)และคาความตานทาน (Rs) ผลจากการวดขดลวดเหนยวน าทความถตางๆ กน ท าใหสามารถวดประสทธภาพของขดลวดเหนยวน าดงแสดงในรปท 9 ซงจะเลอกความถการท างานทไมสงมากจนเกนไปเพอลดการสญเสยขณะสวตชจงเลอกความถการท างานท 35 กโลเฮรตซ มประสทธภาพท 92.8 เปอรเซนต

รปท 9 กราฟประสทธภาพ (แกน Y) กบ ความถ (แกน X)

3. ผลการทดลอง

ความถสวตชท างานของอนเวอรเตอรอยในยาน 35 kHz คาพารามเตอรทใชในการทดสอบมดงน แรงดนทจายเขาวงจรเรยงกระแสVin= 170 V, Lf = 2 mH, C1,2 = 330 uF, Cr = 6 uF, Lcoil = 4.5 uH และ Req = 0.123 ทดสอบโดยการใหความรอนกบเบาหลอมแกรไฟตทรงกระบอกมเสนผานศนยกลาง 40 mm. สง 100 mm. แสดงโครงสรางของเตาหลอมในรปท 6 ตามสมการท 3 ค านวณจดเรโซแนนชไดท 30.63 กโลเฮรตซ แทนคาใน

สมการท 8 สามารถจ ากดดวตไซเคลไดไมต ากวา 20 เปอรเซนต ท าการบนทกรปคลนแรงดนเอาตพตของอนเวอรเตอร ( ov ) กระแสเอาตพตของอนเวอรเตอร ( oi ) แรงดนทขดเหนยวน าใน ตงคาเวลาเดดไทมอยท 1 ไมโครวนาทแสดงในรปท 10

G1

G2

รปท 10 สญญาณขบไอจบท 2 ตวและชวงเวลาเดดไทม (G1:5V/div, G2: 5V/div, Time :1 s /div)

Vo

Is2

รปท 11 รปคลนสญญาณแรงดนและกระแสทออกจากเอาตพตทคา รอบท างาน 50 เปอรเซนต (Vo : 100V/div, IS2 : 10

A/div,Time :5 s /div)

Vo

Is2

รปท 12 รปคลนสญญาณแรงดนและกระแสทออกจากเอาตพตท

คารอบท างาน 40 เปอรเซนต (Vo : 100V/div, IS2 : 10 A/div,Time :5 s /div)

Vo

Is2

รปท 13 รปคลนสญญาณแรงดนและกระแสทออกจากเอาตพตทคา

รอบท างาน 30 เปอรเซนต (Vo : 100V/div, IS2 : 10 A/div,Time :5 s /div) การเกบรปคลนสญญาณแรงดนทสวตชเทยบกบกระแสทผานสวตชเพอเปรยบเทยบดผลจากการปรบมมดวตไซเคลเพอดการสญเสยการน ากระแสทแรงดนเปนศนย (Zero Voltage Switch, ZVS) ดงแสดงในรปท 10-13 ซงแสดงใหเหนวาสวตชยงคงท างานในโหมด ZVS ไดอย ตารางท 1 แสดงผลก าลงไฟฟามคาลดลงเมอมการปรบคาดวตไซเคลลดลง ตารางท 1 ก าลงไฟฟาและกระแสดานอนพตขณะปรบดวตไซเคล ดวตไซเคล (%) กระแสอนพต (A) ก าลงไฟฟาเขา (W)

50 3 883 40 2.8 824 30 2.1 618 17 1.1 323

4. สรป

การควบคมแบบจ ากดดวตไซเคลทน าเสนอถกน ามาใชในงานของเครองหลอมทองเหลองแบบเหนยวน าความรอน สามารถหลอมชนงานทองเหลองขนาด 300 กรมจากทชนงานมอณหภมเรมตนเทากบอณหภมหองท 30 องศาเซลเซยส ไดภายใน 40 นาท ซงเพมประสทธภาพในการหลอมเพมขน 20% จากการทดสอบอนเวอรเตอรท างานทความถสวตซสงกวาความถเรโซแนนซคงทตลอดยานการท างาน ท าใหการท างานของสวตชน ากระแสทแรงดนเปนศนย ท าใหการสญเสยทสวตชก าลงมคานอย ขณะชนงานเกดความรอนสง และมมเฟสมการเปลยนแปลงนอย ท าใหอนเวอรเตอรท างาน

ทความถคงท ซงชวยท าใหเตาหลอมแบบเหนยวน ามการท างานทยาวนานขน

เอกสารออางอง [1] Vicente, E., Esteban, S. K., José, J., Enrique, J.

D., César, C., Enrique, M., Juan, B. E. and Agustín, F. 2011. Improving the efficiency of IGBT series-Resonant inverters using pulse density modulation. IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 58, no. 3, 2011: 979-987.

[2] Chudjuarjeen, S., Sangswang, A. and Koompai, C. 2011. An improved LLC resonant inverter for

induction heating applications with asymmetrical control. IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 58, no. 7, 2011: 2915-2925.

[3] Mishima, T. and Nakaoka, M. 2009. A novel high-frequency transformer-linked soft- switching half-bridge DC–DC converter with constant-frequency asymmetrical PWM scheme. IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 56, no. 8, 2009: 2961–2969.

[4] Paesa, D., Franco, C., Llorente, S., Lopez-Nicolas, G. and Sagues, C. 2011. Adaptive simmering control for domestic induction cookers. IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 47, no.5, 2011: 2257–2267.

[5] Acero, J., Alonso, R., Barragan, L.A. and Burdio, J.M. Modeling of planar spiral inductors between two multilayer media for induction heating Applications. IEEE Trans. Magn., Vol. 42, no. 11, 2006: 3719–3729.

[6] Acero, J., Burdio, J.M., Barragan, L.A., Navarro, D., Alonso, R., Garcia, J.R., Monterde, F., Hernandez, P., Llorente, S. and Garde, I. 2010. Domestic induction applications. IEEE Ind. Appl. Magn., vol. 16, no. 2, 2010: 39–47.

[7] Jittakort, J., Yachiangkam, S., Sangswang, A., Naetiladdanon, S., Koompai, C. and

129บทความวจย วารสารวชาการ วศวกรรมศาสตร ม.อบ. ปท 8 ฉบบท 1 มกราคม - มถนายน 2558

Vo

Is2

รปท 13 รปคลนสญญาณแรงดนและกระแสทออกจากเอาตพตทคา

รอบท างาน 30 เปอรเซนต (Vo : 100V/div, IS2 : 10 A/div,Time :5 s /div) การเกบรปคลนสญญาณแรงดนทสวตชเทยบกบกระแสทผานสวตชเพอเปรยบเทยบดผลจากการปรบมมดวตไซเคลเพอดการสญเสยการน ากระแสทแรงดนเปนศนย (Zero Voltage Switch, ZVS) ดงแสดงในรปท 10-13 ซงแสดงใหเหนวาสวตชยงคงท างานในโหมด ZVS ไดอย ตารางท 1 แสดงผลก าลงไฟฟามคาลดลงเมอมการปรบคาดวตไซเคลลดลง ตารางท 1 ก าลงไฟฟาและกระแสดานอนพตขณะปรบดวตไซเคล ดวตไซเคล (%) กระแสอนพต (A) ก าลงไฟฟาเขา (W)

50 3 883 40 2.8 824 30 2.1 618 17 1.1 323

4. สรป

การควบคมแบบจ ากดดวตไซเคลทน าเสนอถกน ามาใชในงานของเครองหลอมทองเหลองแบบเหนยวน าความรอน สามารถหลอมชนงานทองเหลองขนาด 300 กรมจากทชนงานมอณหภมเรมตนเทากบอณหภมหองท 30 องศาเซลเซยส ไดภายใน 40 นาท ซงเพมประสทธภาพในการหลอมเพมขน 20% จากการทดสอบอนเวอรเตอรท างานทความถสวตซสงกวาความถเรโซแนนซคงทตลอดยานการท างาน ท าใหการท างานของสวตชน ากระแสทแรงดนเปนศนย ท าใหการสญเสยทสวตชก าลงมคานอย ขณะชนงานเกดความรอนสง และมมเฟสมการเปลยนแปลงนอย ท าใหอนเวอรเตอรท างาน

ทความถคงท ซงชวยท าใหเตาหลอมแบบเหนยวน ามการท างานทยาวนานขน

เอกสารออางอง [1] Vicente, E., Esteban, S. K., José, J., Enrique, J.

D., César, C., Enrique, M., Juan, B. E. and Agustín, F. 2011. Improving the efficiency of IGBT series-Resonant inverters using pulse density modulation. IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 58, no. 3, 2011: 979-987.

[2] Chudjuarjeen, S., Sangswang, A. and Koompai, C. 2011. An improved LLC resonant inverter for

induction heating applications with asymmetrical control. IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 58, no. 7, 2011: 2915-2925.

[3] Mishima, T. and Nakaoka, M. 2009. A novel high-frequency transformer-linked soft- switching half-bridge DC–DC converter with constant-frequency asymmetrical PWM scheme. IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 56, no. 8, 2009: 2961–2969.

[4] Paesa, D., Franco, C., Llorente, S., Lopez-Nicolas, G. and Sagues, C. 2011. Adaptive simmering control for domestic induction cookers. IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 47, no.5, 2011: 2257–2267.

[5] Acero, J., Alonso, R., Barragan, L.A. and Burdio, J.M. Modeling of planar spiral inductors between two multilayer media for induction heating Applications. IEEE Trans. Magn., Vol. 42, no. 11, 2006: 3719–3729.

[6] Acero, J., Burdio, J.M., Barragan, L.A., Navarro, D., Alonso, R., Garcia, J.R., Monterde, F., Hernandez, P., Llorente, S. and Garde, I. 2010. Domestic induction applications. IEEE Ind. Appl. Magn., vol. 16, no. 2, 2010: 39–47.

[7] Jittakort, J., Yachiangkam, S., Sangswang, A., Naetiladdanon, S., Koompai, C. and

130 บทความวจย วารสารวชาการ วศวกรรมศาสตร ม.อบ. ปท 8 ฉบบท 1 มกราคม - มถนายน 2558

Chudjuarjeen, S. 2011. A variable-frequency asymmetrical voltage-cancellation control of series resonant inverter in domestic induction cooking. Proceedings of ICPE2011-ECCE Asia, May. 30-June. 3, 2011: 2320-2327.

[8] Yachiangkam, S., Sangswang, A., Naetiladdanon, S., Koompai, C. and Chudjuarjeen, S. 2011. Resonant inverter with a variable-frequency asymmetrical voltage-cancellation control for low Q-factor loads in induction cooking. Proceedings of IEEE European Conference on Power Electronics and Applications, Birmingham, United Kingdom, Aug. 30-Sept. 1, 2011: 1-10.

[9] Polsripim, A., Chudjuarjeen, S., Sangswang, A., Navaratana P. N. A. and Koompai, C., 2009. A soft switching class D current source inverter for induction heating with ferromagnetic load. Proceedings of IEEE International Conference on Power Electronics and Drive System, vol. 4, 2009: 877-881.

[10]Yachiangkam, S., Sangswang, A., Naetiladdanon, S., Koompai, C., Jittakort, J. and Chudjuarjeen, S., 2013. Automatic variable frequency asymmetrical control of half-bridge series resonant inverters for low-cost domestic induction cooking. Proceedings of IEEE International Conference on Power Electronics and Drive System, Kitakyushu, Japan, Apr. 22-25, 2013: 867-871.

[11] Chudjuarjeen, S., Hathairatsiri, V., Pechpunsri, W., Sangswang, A., Koompai, C., 2013. Quasi-resonant converter for induction heating in high temperature applications. Proceedings of IEEE International Conference on Power Electronics and Drive System, Kitakyushu, Japan, Apr. 22-25, 2013: 836-839.

[12] Koertzen, H.W., Wyk, J.D. and Ferreira, J.A. 1995. Design of the half-bridge series resonant converters for induction cooking. Proceedings

of IEEE Power Electronics Specialist Conference Records, Jun. 18-22, 1995: 729-735.

[13] Khan F.H. and Tolbert, L.M. 2009. Multiple-load-source integration in a multilevel modular capacitor-clamped DC-DC converter featuring fault tolerant capability. IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 24, no. 1, Jan., 2009: 14-24.