No.429

สันติสุข ผลอินทร์

Toto.electric.group@gmail.com

 

 

หากพูดว่า INDUCTION HEATING หลายท่านอาจจะมองไม่เห็นภาพว่าคืออะไร แต่ถ้าบอกว่าเตาแม่เหล็กไฟฟ้าก็คงจะเริ่มคุ้นๆ และถามต่อไปว่ามันมีวิธีการทำงานอย่างไร เราสามารถสร้างเองได้หรือไม่ โครงงานนี้มีคำตอบครับ

 

          สำหรับโครงงานนี้จะเป็นการให้ความร้อนด้วยการเหนี่ยวนำ ซึ่งเป็นการให้ความร้อนอย่างมีประสิทธิภาพ โดยใช้การถ่ายเทพลังงานผ่านสนามแม่เหล็กทำให้เกิดการเหนี่ยวนำไฟฟ้าและเกิดความร้อนขึ้นในโลหะ ความร้อนที่เกิดขึ้นในชิ้นโลหะเกิดจากการเสียดสีของโมเลกุล เนื่องจากความต้านทานสนามแม่เหล็กของชิ้นโลหะและเกิดกระแสไฟฟ้าไหลวนจากการเหนี่ยวนำของของสนามแม่เหล็กในชิ้นโลหะ

 

          โครงงานนี้ใช้แหล่งจ่ายไฟเป็นไฟฟ้ากระแสตรง (DC) ป้อนให้กับวงจรเพื่อแปลงเป็นไฟฟ้ากระแสสลับตามความถี่ที่เราต้องการเพื่อป้อนเข้าขดลวดเหนี่ยวนำ ซึ่งการใช้งานของ INDUCTION HEATING จะถูกแบ่งออกไปตามลักษณะการใช้งานและความถี่ที่ใช้งาน อาทิเช่น การชุบแข็งที่ผิวชิ้นงาน หากต้องการความลึกที่ผิวต่ำจึงต้องใช้ความถี่สูง ส่วนงานประเภทให้ความร้อนสำหรับการทุบขึ้นรูปจะต้องการความลึกที่ผิวค่อนข้างสูง ความถี่ในการใช้งานจึงต่ำ เป็นต้น ยกตัวอย่างความถี่ที่เหมาะสมในการใช้งานได้ดังนี้คือ

 

          1. ระบบที่ใช้ความถี่ 50-60 Hz มีความถี่ค่อนข้างต่ำทำให้ค่าความลึกผิวในการให้ความร้อนมีค่ามาก โดยค่าความลึกจะอยู่ที่ประมาณ 10-100 มิลลิเมตร นิยมใช้ในงานหลอมโลหะ

          2. ใช้ความถี่สูงประมาณ 500 Hz – 10 KHz ทำให้ได้ความลึกที่ผิวตั้งแต่ 1-10 มิลลิเมตร ใช้ในงานเตาหลอมโลหะ

          3. ใช้ความถี่ตั้งแต่ 500 Hz - 50 KHz ใช้ในงานที่มีลักษณะหลากหลาย เช่น งานหลอมโลหะ งานทุบขึ้นรูปโลหะ งานชุบแข็งผิว และแบบสุดท้าย คือ แบบที่เราจะสร้างกันในโครงงานนี้

          4. ความถี่ตั้งแต่ 500 KHz – 10 MHz สามารถใช้พวกมอสเฟตกำลัง (แบบเดียวกับโครงงานนี้) ค่าความลึกที่ผิวมีค่าประมาณ 0.1-2 มิลลิเมตรเหมาะสำหรับงานเชื่อมประสานและงานชุบแข็งผิว

 

          สำหรับขดลวดเหนี่ยวนำจะทำด้วยตัวนำไฟฟ้า เช่น ทองแดง เมื่อมีกระแสไหลผ่านตัวมันจะทำให้เกิดสนามแม่เหล็กขึ้น และทำให้เกิดการเหนี่ยวนำในชิ้นงานโลหะ สุดท้านก็จะกลายเป็นพลังงานความร้อน ดังแสดงในรูปที่ 1 ซึ่งการเกิดความร้อนเหนี่ยวนำจะแบ่งเป็น 2 ส่วนหลักๆ คือ เกิดความร้อนจากกระแสไหลวนในชิ้นโลหะ และเกิดความร้อนจากความต้านทานของสนามแม่เหล็ก จะเกิดเฉพาะโลหะที่มีคุณสมบัติเป็นสารเท่านั้น

 

หลักการทำงานและการสร้าง

 

          วงจรของ INDUCTION HEATING จะประกอบไปด้วยอุปกรณ์ทางอิเล็กทรอนิกส์พื้นฐานโดยวงจรนี้จะใช้มอสเฟตเป็นตัวสวิตช์เพื่อให้เกิดความถี่ขึ้นในขดลวดเหนี่ยวนำ ตามรูปวงจร รูปที่ 2 ซึ่งจะเห็นว่าวงจรมีอุปกรณ์เพียงไม่กี่ชิ้น ดังนั้นผู้เขียนจึงขออธิบายหลักการทำงานและการสร้างไปพร้อมๆ กันเลย

 

          อีกส่วนหนึ่งซึ่งนับว่าเป็นหัวใจหลักสำหรับวงจรนี้เลย คือ ตัวเหนี่ยวนำ ซึ่งในวงจรจะมีอยู่ 3 ตัวด้วยกัน คือ L1, L2 และ L3 โดย L1 กับ L2 จะมีค่าความเหนี่ยวนำเท่ากันประมาณ 3 mH และสามารถรับกระแสได้ประมาณ 10 A ส่วน L3 จะมีค่าความเหนี่ยวนำประมาณ 15 uH ซึ่งค่าความเหนี่ยวนำที่กล่าวมาอาจจะหายาก ดังนั้นเราจึงต้องทำตัวเหนี่ยวนำขึ้นมาเอง มาเริ่มจากการสร้างตัวเหนี่ยวนำ L1 และ L2 กันก่อน ขั้นแรกให้นำแกนเทอรอยส์ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของรู 2 ซม.และหนาประมาณ 1 ซม.จากนั้นนำสายไฟเบอร์ 1 SQmm มาพันรอบแกนเทอร์รอยจำนวน 15 รอบสองแกน (พัน 15 รอบ 2 ครั้ง) ตามรูปที่ 3 ก็จะได้ตัวเหนี่ยวนำ L1 และ L2

 

 

          ส่วนตัวเหนี่ยวนำตัวที่ 3 หรือ L3 นั้น ในโครงงานนี้ จะใช้สายไฟ THW ขนาด 6 SQmm หรือจะใช้ท่อทองแดงขนาด 3/16 ก็ได้ นำสายไฟ THW ขนาด 6 SQmm มาขดเป็นเกลียวทรงกระบอกตามรูปที่ 4 ขนาดเส้นผ่าศูนย์ประมาณ 2 นิ้ว พันเป็นเกลียวจำนวน 10 รอบ ก็จะได้ค่าความเหนี่ยวนำประมาณ 15 uH หรือใช้ท่อทองแดงพันในลักษณะเดียวกันแต่ให้เพิ่มจำนวนรอบมากกกว่า 5-10 รอบก็จะได้ค่าความเหนี่ยวนำใกล้เคียงกัน

 

          จากวงจรจะเห็นว่า L3 จะมีตัวเก็บประจุต่อขนานอยู่ ซึ่งค่าความจุที่ใช้เท่ากับ 4 uF 275 V แต่เนื่องจากวงจรนี้เป็นวงจรที่ใช้ความถี่ค่อนข้างสูง ซึ่งหากใช้ตัวเก็บประจุตัวเดียวขนาด 4 uF เลยจะส่งผลให้ตัวเก็บประจุร้อนจัด แนวทางการแก้ไขทำได้โดยนำตัวเก็บประจุที่มีค่าน้อยๆ เช่น นำตัวเก็บประจุที่มีค่า 1 uF จำนวน 4 ตัว มาขนานกันเพื่อให้ได้ค่าความจุ 4 uF ตามรูปที่ 5 เพื่อจะได้ระบายความร้อนที่ดีขึ้นและชนิดของตัวเก็บประจุแนะนำให้ใช้แบบ MKP เพราะจะตอบสนองความถี่สูงได้ดี

 

 

รูปที่ 5 การต่อขนานตัวเก็บประจุ 4 ตัวเพื่อให้ได้ค่า 4 uF

 

          อุปกรณ์สำคัญอีกอย่างหนึ่ง คือ ไดโอดที่อยู่ในวงจร อยางกล่าวมาข้างต้น วงจรนี้เป็นวงจรที่ใช้ความถี่สูงไดโอดก็ต้องใช้ชนิดที่ตอบสนองความถี่สูงด้วยเช่นกัน ดังนั้นจะต้องใช้เป็นชนิด Fast Diod หรือ Ultra Fast Diod ก็ได้ และอีกส่วนหนึ่งที่สำคัญไม่แพ้กันกันก็คือฟิวส์ป้องกันในวงจร ซึ่งในวงจรนี้ใช้ฟิวส์ 20-25 A

 

 

รูปที่ 6 การทดสอบกับแท่งเหล็ก

 

การทดสอบ

 

          การใช้งานมอสเฟตจะเกิดความร้อน ดังนั้นจะต้องติดแผ่นระบายความร้อนด้วย เพื่อป้องกันความเสียหาย ถ้าพร้อมแล้วเรามาเริ่มการทดลองเลยดีกว่า เริ่มจากการจ่ายไฟเข้าวงจรในสภาวะที่ไม่มีโหลด (ไม่มีโลหะอยู่ในขดลวดเหนี่ยวนำ L3)ที่ถูกต้องวงจรจะใช้กระแสประมาณ 3-4 A แต่ถ้ามีโหลดกระแสจะมากขึ้น โดยกระแสจะมากหรือน้อยนั้นขึ้นอยู่กับชนิดของโลหะและขนาดของโลหะที่อยู่ในขดลวดเหนี่ยวนำ L3

 

          เมื่อเริ่มจ่ายไฟและใส่แท่งเหล็กลงไปในตัวเหนี่ยวนำ L3 ไม่กี่วินาทีแท่งเหล็กก็จะมีความร้อนเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว และเมื่อผ่านไปประมาณ 30 วินาที แท่งเหล็กที่อยู่ในขดลวดเหนี่ยวนำก็จะเริ่มมีสีแดงออกส้ม อุณหภูมิจะอยู่ที่ประมาณ 700 องศาเซลเซียสและเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ ดังแสดงในรูปที่ 6

 

          เนื่องจากวงจรในโครงงานนี้ใช้ไฟฟ้าแรงดันต่ำ 24 VDC จึงมีความปลอดภัยในการทดลอง แต่ก็มีข้อควรระวังในโครงงานนี้ คือ ความร้อน เนื่องจาก INDUCTION HEATING จะให้ความร้อนแก่โลหะที่นำมาทดลองเร็วมากไม่กี่วินาทีอุณหภูมิของโลหะก็จะมากกว่า 200 องศาเซลเซียส จึงต้องให้ความระมัดระวังในการทดลอง ในการใช้งานจริง วงจรนี้สามารถนำไปใช้งานได้หลากหลาย ซึ่งรูปแบบของขดลวดเหนี่ยวนำ L3 ไม่จำเป็นต้องเป็นทรงกระบอกเสมอไป อาจจะเป็นรูปแบบอื่นเพื่อให้เหมาะสมกับการใช้งานก็ได้ ตามรูปที่ 7

 

 

รูปที่ 7 ลักษณะต่างๆ ของ L3 ที่สามารถใช้งานได้

 

ตารางที่ 1 แสดงประสิทธิภาพการใช้พลังงานของการให้ความร้อนโดยการเหนี่ยวนำ

 

 

 

โครงงานนี้เหมาะสำหรับการใช้งานขนาดเล็ก เพื่อการศึกษาหลักการทำงานของ INDUCTION HEATING เพื่อนำไปต่อยอดและประยุกต์ใช้งานต่างๆ ที่ต้องการให้ความร้อนโดยการเหนี่ยวนำใช้ระยะเวลาสั้นและมีประสิทธิภาพในการถ่ายเทพลังงานร้อยละ 55 – 85 ซึ่งสูงกว่าการให้ความร้อนโดยเชื้อเพลิงที่มีประสิทธิภาพการถ่ายเทพลังงานประมาณร้อยละ 15-25 เท่านั้น

 

รายการอุปกรณ์

ตัวต้านทาน
          R1, R2 470 2W 2 ตัว
          R3, R4 10 k 2 ตัว

ตัวเก็บประจุ
          C1-C4 1uF 275V (MKP) 4 ตัว

อุปกรณ์สารกึ่งตัวนำ
          ZD1, ZD2 ซีเนอไดโอด 12V 1W 2 ตัว
          D1, D2 1N4937 (Fast Diod) 2 ตัว
          Q1, Q2 IRFP250N 2 ตัว

อื่นๆ
          L1, L2 ตัวเหนี่ยวนำ 3mH. 2 ตัว
          L3 ตัวเหนี่ยวนำ 15uH. 1 ตัว