การออกแบบและสรางตนแบบชดเหนยวนาความรอนเพอทบขนรปโลหะ ดวยอนเวอรเตอรเอชบรดจรวมกบดซทดซคอนเวอรเตอรชนดทอนแรงดน

DESIGN AND CONSTRUCTION OF AN INDUCTION FORGING PROTOTYPE

USING H-BRIDGE CURRENT INVERTER WITH BUCK CONVERTER

วเชยร หทยรตนศร VICHIAN HATHAIRATSIRI

วทยานพนธนเปนสวนหนงของการศกษาตามหลกสตรปรญญาวศวกรรมศาสตรมหาบณฑต สาขาวชาวศวกรรมไฟฟา ภาควชาวศวกรรมไฟฟา

คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคลธญบร

พ.ศ. 2552

การออกแบบและสรางตนแบบชดเหนยวนาความรอนเพอทบขนรปโลหะ ดวยอนเวอรเตอรเอชบรดจรวมกบดซทดซคอนเวอรเตอรชนดทอนแรงดน

วเชยร หทยรตนศร

วทยานพนธนเปนสวนหนงของการศกษาตามหลกสตรปรญญาวศวกรรมศาสตรมหาบณฑต สาขาวชาวศวกรรมไฟฟา ภาควชาวศวกรรมไฟฟา

คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคลธญบร

พ.ศ. 2552

DESIGN AND CONSTRUCTION OF AN INDUCTION FORGING PROTOTYPE

USING H-BRIDGE CURRENT INVERTER WITH BUCK CONVERTER

VICHIAN HATHAIRATSIRI

A THESIS SUBMITTED IN PARTIAL FULFILMENT OF THE REQUIREMENT FOR THE DEGREE OF MASTER OF ENGINEERING

IN ELECTRICAL ENGINEERING DEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERING FACULTY OF ENGINEERING

RAJAMANGALA UNIVERSITY OF TECHNOLOGY THANYABURI 2009

วทยานพนธฉบบนเปนงานวจยทเกดจากการคนควาและวจยขณะทขาพเจาศกษาอยในคณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคลธญบร ดงนนงานวจยในวทยานพนธฉบบนถอเปนลขสทธของมหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคลธญบรและขอความตางๆในวทยานพนธฉบบน ขาพเจาขอรบรองวาไมมการคดลอกหรอนางานวจยของผอนมานาเสนอในชอของขาพเจา

นายวเชยร หทยรตนศร

COPYRIGHT © 2009 ลขสทธ พ.ศ 2552 FACULTY OF ENGINEERING คณะวศวกรรมศาสตร RAJAMANGALA UNIVERSITY OF TECHNOLOGY THANYABURI มหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคลธญบร

ใบรบรองวทยานพนธ คณะวศวกรรมศาสตร

มหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคลธญบร ___________________________________________________________________________________

หวขอวทยานพนธ การออกแบบและสรางตนแบบชดเหนยวนาความรอนเพอทบขนรปโลหะดวยอนเวอรเตอรเอชบรดจรวมกบดซทดซคอนเวอรเตอร ชนดทอนแรงดน DESIGN AND CONSTRUCTION OF AN INDUCTION FORGING PROTOTYPE USING H-BRIDGE CURRENT INVERTER WITH BUCK CONVERTER

ชอนกศกษา นายวเชยร หทยรตนศร รหสประจาตว 114970402001-9 ปรญญา วศวกรรมศาสตรมหาบณฑต สาขาวชา วศวกรรมไฟฟา อาจารยทปรกษาวทยานพนธหลก ดร.วนชย ทรพยสงห วน เดอน ป ทสอบ 29 สงหาคม 2552 เวลา 09.00-10.30 น. สถานทสอบ หองประชมภาควชาวศวกรรมไฟฟา คณะวศวกรรมศาสตร

มหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคลธญบร คณะกรรมการสอบวทยานพนธ .................................................................... ประธานกรรมการ (ผชวยศาสตราจารย ดร.สมชย หรญวโรดม)

.................................................................... กรรมการ (ดร.บญยง ปลงกลาง)

.................................................................... กรรมการ (ผชวยศาสตราจารย ดร.อนวช แสงสวาง)

.................................................................... กรรมการ (ดร.วนชย ทรพยสงห) .................................................................................

(ผชวยศาสตราจารย ดร.สมชย หรญวโรดม) คณบดคณะวศวกรรมศาสตร

ก

หวขอวทยานพนธ การออกแบบและสรางตนแบบชดเหนยวนาความรอนเพอทบขนรปโลหะดวยอนเวอรเตอรเอชบรดจรวมกบดซทดซคอนเวอรเตอร ชนดทอนแรงดน

นกศกษา นายวเชยร หทยรตนศร รหสประจาตว 114970402001-9 ปรญญา วศวกรรมศาสตรมหาบณฑต สาขาวชา วศวกรรมไฟฟา ปการศกษา 2552 อาจารยผควบคมวทยานพนธ ดร.วนชย ทรพยสงห บทคดยอ วทยานพนธนนาเสนอ การออกแบบและสรางตนแบบชดเหนยวนาความรอนเพอทบขนรปโลหะดวยวงจรอนเวอรเตอรกระแสเอชบรดจรวมกบดซทดซคอนเวอรเตอรชนดทอนแรงดน โดยมจดประสงคเพอลดขนาดและนาหนกของตวเหนยวนาในวงจรกรองกระแสโดยการเพมความถในการสวตชในวงจรดซทดซคอนเวอรเตอรชนดทอนแรงดนซงทาใหชวงเวลาการหยดนากระแสของสวตชนอยลง ในโหมดของกระแสตอเนองเปนผลใหสามารถลดคาความเหนยวนาของตวกรองกระแสลงไดอยางมประสทธภาพและยงสามารถปรบชวงของกาลงไฟฟาขณะจายโหลดผานอนเวอรเตอรไดในชวงกวางขน เครองตนแบบชดใหความรอนดวยหลกการเหนยวนาในวทยานพนธนมขนาด 1 กโลวตต โดยออกแบใชกบระบบไฟฟา 3 เฟส 380 โวลต 50 เฮรตซ ผานชดไดโอดเรยงกระแสแบบเตมคลนเขาสวงจรดซทดซคอนเวอรเตอรชนดทอนแรงดนซงควบคมการทางานแบบพดบเบลยเอมความถสวตชงประมาณ 28.5 กโลเฮรตซ ทงนโดยการอนกรมกบตวเหนยวนากรองกระแสมคา 1.9 มลลเฮนร เพอใชเปนแหลงจายกระแสเขาสอนเวอรเตอรทมความถสวตชงทประมาณ 37-40 กโลเฮรตซ ทงน การควบคมการสวตชแบบการควบคมมมเฟสคงทใหจดทางานทความถสงกวาความถเรโซแนนซ

ผลการทดสอบแสดงใหเหนประสทธภาพของวงจรทไดออกแบบไว โดยชดตนแบบนสามารถใหความรอนกบเหลกรปทรงกระบอกขนาดเสนผานศนยกลาง 12 มลลเมตร ยาว 100 มลลเมตร จากอณหภมหอง (30 องศาเซลเซยส) ถง 919 องศาเซลเซยส ไดภายในเวลา 1.5 นาท และมประสทธภาพในการทางานอยท 84 % คาสาคญ : ความรอนแบบเหนยวนา, อนเวอรเตอรแหลงจายกระแส, ดซทดซคอนเวอรเตอรชนด ทอนแรงดน

ข

Thesis Title : DESIGN AND CONSTRUCTION OF AN INDUCTION FORGING PROTOTYPE USING H-BRIDGE CURRENT INVERTER WITH BUCK CONVERTER

Student Name : Mr. Vichian Hathairatsiri Student ID : 114970402001-9 Degree Award : Master of Engineering Study Program : Electrical Engineering Academic Year : 2009 Thesis Advisor/s : Dr. Wanchai Subsingha

ABSTRACT

This thesis presents the design and construction of an induction forging prototype using H-Bridge current inverter with buck converter in order to reduce size and weight of the current source inductance in the induction heating system. An increase of switching frequency of the buck converter is aimed to minimize the inductances of the current filter. It provides a control for widely power range which is transferred into inverter circuit. The design of an induction forging in this thesis uses H-Bridge current inverter and a buck converter. The 1kW prototype of the induction forging system is supplied by a 3 phase full-wave rectifier and PWM controlled buck converter at approximately 28.5 kHz switching frequency together with a 1.9 mH inductor for current filtering. The current flows into the H-Bridge inverter circuit smoothly in order to produce output voltage and current corresponding with the desired resonant frequency at 37-40 kHz. To account for variation of resonant frequency due to the change load. The phase lock loop (PLL) technique is used to provide a suitable control signal for the inverter to keep tracking for the resonant frequency during operation. The experimental obtained for the prototype of the Induction Forging in this thesis are from heating the steel rod with dimension of the 12 mm diameter and 100 mm length. The steel rod sample is heated from room temperature (30oC) to 919oC within 1.5 minutes for which the efficiency of this prototype is approximately 84 %. Keywords: Induction heating, H-Bridge current inverter, Buck converter

ค

กตตกรรมประกาศ วทยานพนธนสาเรจลลวงไดดวยด ทงนตองขอขอบพระคณ ดร.วนชย ทรพยสงห ทแนะแนวทางและใหคาปรกษาในการทาวทยานพนธ อาจารยสายชล ชดเจอจน เปนผแนะนาการออกแบบสรางและแนวทางในการแกปญหา อาจารยชาญฤทธ ธาราสนตสข ทแนะแนวทางในการเขยนและนาเสนอบทความงานวจย ขอบคณมหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคลกรงเทพ ทมอบทนการศกษาพรอมทงอนเคราะหใหใชสถานท เครองวดในการทาวจย ผวจยขอกราบขอบพระคณ บดา มารดา และขอบคณบคคลในครอบครวทเหนใจและคอยเปนกาลงใจตลอดระยะเวลาในการศกษาดวยดตลอดมาจนผวจยสามารถสาเรจการศกษา ทายทสดนขออาราธนาพระคณแหงพระศรรตนตรย จงชวยปกปองคมภย ผมพระคณทกทานใหมสขภาพพลานามยทสมบรณ ปราศจากโรคภยทงปวง

วเชยร หทยรตนศร 29 สงหาคม 2552

ง

สารบญ หนา

บทคดยอภาษาไทย ก บทคดยอภาษาองกฤษ ข กตตกรรมประกาศ ค สารบญ ง สารบญตาราง ฉ สารบญรป ช บทท 1 บทนา 1

1.1 ทมาของงานวจย 1 1.2 วตถประสงคการวจย 2 1.3 ขอบเขตการวจย 2 1.4 วธการวจย 2 1.5 ประโยชนทคาดวาจะไดรบจากการวจย 3

บทท 2 วรรณกรรมหรองานวจยทเกยวของ 4 2.1 หลกการใหความรอนแบบเหนยวนา 4 2.2 ปรากฏการณทางผว (Skin Effect) 5 2.3 ผลของอณหภม (Temperature Effect) 6 2.4 ขดลวดเหนยวนาและชนงาน ( Work Coil and Work Piece) 8 2.5 ตวประกอบคณภาพ (Quality Factor,Q ) 11 2.6 วงจรสมมลขดลวดเหนยวนาและชนงาน 11 2.7 อนเวอรเตอรเรโซแนนซแบบแหลงจายกระแสเอชบรดจ 13 2.8 วงจรแปลงผนกาลงไฟฟากระแสตรงเปนกระแสตรงชนดทอนแรงดน 18 2.9 วงจรเรยงกระแสสามเฟสแบบไดโอด 25 2.10 เฟสลอกลป (Phase locked loop) 29

บทท 3 วธการดาเนนงานวจย 38 3.1 ชดโหลดเรโซแนนซแบบขนาน 38 3.2 อนเวอรเตอรแหลงจายกระแสชนดเอชบรดจ 41 3.3 แหลงจายกาลงไฟฟา 45 3.4 ฟลเตอร 513.5 การจาลองการทางานเครองตนแบบ 53

จ

สารบญ (ตอ) หนา

บทท 4 ผลการทดลอง 59 4.1 การทดลองแหลงจายกาลงไฟฟา 59 4.2 การทดลองเครองตนแบบชดใหความรอน 63

บทท 5 สรปผลและขอเสนอแนะ 75 5.1 สรปผลการวจย 75 5.2 ขอเสนอแนะในการวจย 76

เอกสารอางอง 77 ภาคผนวก

ก รปภาพเครองตนแบบและผลการทดลอง 78 ข ผลงานวจยทตพมพเผยแพร 81

ประวตผเขยน 97

ฉ

สารบญตาราง ตารางท หนา 4.1 ประสทธภาพของเครองตนแบบทดวตไซเคลตางๆ 69 4.2 การวดอณหภมของชนงานกบกระแสทางออกของอนเวอรเตอรทดวตไซเคล

67 % ทอณหภมหอง 30 oC 70

4.3 อณหภมของชนงานกบเวลาการใหความรอนทดวตไซเคลตางๆ 71 4.4 ผลการวดกาลงไฟฟากบเวลาการใหความรอนทดวตไซเคล 67% 73

ช

สารบญรป

รปท หนา 2.1 วงจรสมมลของหมอแปลงและขดลวดเหนยวนากบชนงาน 4 2.2 กราฟการกระจายความหนาแนนของกระแสกบความลกผว 5 2.3 หลกการพนฐานการใหความรอนแบบเหนยวนา 6 2.4 กราฟความจความรอนของโลหะชนดตางๆ 7 2.5 กราฟของความตานทานจาเพาะทเปลยนไปตามอณหภม 8 2.6 กราฟผลการทดลองวดคาความเหนยว ความตานทานกบอณหภม 9 2.7 แนวการคานวณความตานทานชนงานรปทรงกระบอก 10 2.8 เสนแรงแมเหลกทคลองผานสวนตางๆ ของขดลวดเหนยวนาและชนงาน 12 2.9 วงจรสมมลทางแมเหลกของขดลวดเหนยวนาและชนงาน 12 2.10 วงจรสมมลทางไฟฟาของขดลวดเหนยวนา 12 2.11 อนเวอรเตอรเรโซแนนซแบบแหลงจายกระแสเอชบรดจ 13 2.12 วงจรสมมลของแหลงจายกระแสทใชในการวเคราะหวงจร 14 2.13 รปคลนสญญาณกระแสและแรงดนทโหลด 15 2.14 รปคลนทโหลดและอปกรณสวตชอนเวอรเตอร 17 2.15 หลกการพนฐานของวงจรบกคอนเวอรเตอร 18 2.16 วงจรบกคอนเวอรเตอร 19 2.17 วงจรเทยบเทาขณะสวตชนากระแส 19 2.18 วงจรเทยบเทาขณะสวตชหยดนากระแส 20 2.19 รปคลนการทางานของวงจรบกคอนเวอรเตอร 22 2.20 รปคลนของกระแสทตวเกบประจและแรงดนทางออก 24 2.21 วงจรเรยงกระแสสามเฟสแบบไดโอด 26 2.22 กระแสไฟฟาในวงจรเรยงกระแสสามเฟสเมอผานการกรองความถแลว 29 2.23 แสดงบลอกไดอะแกรมเบองตนของเฟสลอกลป 30 2.24 แบบจาลองพนฐานทางคณตศาสตรของเฟสลอกลป 31 2.25 วงจรกรองความถตาผานแบบพาสซฟ 32 2.26 วงจรกรองความถตาผานแบบพาสซฟลด-แลก 33 2.27 วงจรกรองความถตาผานแบบแอคตฟ 33 2.28 วงจรตรวจจบเฟสทใชเอกซคลซฟออร 34 2.29 สญญาณพลสทางดานอนพตและเอาตพต 35

ซ

สารบญรป(ตอ)

รปท หนา 2.30 กราฟคณสมบตของวงจรตรวจจบเฟสแบบเอกซคลซฟ-ออร 35 2.31 วงจรตรวจจบเฟสแบบกระตนทขอบ 36 2.32 ความสมพนธของแรงดนเอาตพตกบความตางเฟสระหวาง if และ Of 37 3.1 ไดอะแกรมทงหมดของเครองใหความรอนเหนยวนาแบบแหลงจายกระแส 39 3.2 การออกแบบขดลวดเหนยวนา 40 3.3 รปคลนกระแสกบแรงดนทตวสวตช 41 3.4 แผนผงการควบคมมมเฟสคงท 41 3.5 วงจรขบสวตชไอจบท 43 3.6 ตาแหนงการตอวงจรขบเกตอนเวอรเตอร 43 3.7 การสรางสญญาณเหลอม 44 3.8 ลกษณะของสญญาณขบนาไอจบท 44 3.9 วงจรปองกนกระแสสงเกน 49 3.10 วงจรพดบเบลยเอม 50 3.11 การสรางสญญาณพดบเบลยเอม 50 3.12 วงจรเทยบเทาขดลวดเหนยวนาขณะไมมและมชนงาน 51 3.13 วงจรการจาลองเครองใหความรอนขณะใสชนงาน 53 3.14 รปคลนของกระแสกบแรงดนทโหลดเรโซแนนซท 40%D = 54 3.15 กระแสกบแรงดนทอปกรณสวตชอนเวอรเตอรท 40%D = 54 3.16 กระแสกบแรงดนททางออกของวงจรบกคอนเวอรเตอรท 40%D = 55 3.17 กระแสกบแรงดนททางเขาวงจรบกคอนเวอรเตอรท 40%D = 55 3.18 กระแสกบแรงดนทขดลวดเหนยวนาท 40%D = 56 3.19 รปคลนของกระแสกบแรงดนทโหลดเรโซแนนซท 67%D = 56 3.20 กระแสกบแรงดนทอปกรณสวตชอนเวอรเตอรท 67%D = 57 3.21 กระแสกบแรงดนททางออกของวงจรบกคอนเวอรเตอรท 67%D = 57 3.22 กระแสกบแรงดนททางเขาวงจรบกคอนเวอรเตอรท 67%D = 58 3.23 กระแสกบแรงดนทขดลวดเหนยวนาท 67%D = 58 4.1 แหลงจายกาลงไฟฟาทจายโหลดความตานทาน 59 4.2 สญญาณขบนาไอจบทดวตไซเคล 40% 60 4.3 สญญาณขบนาไอจบทดวตไซเคล 60% 60

ฌ

สารบญรป(ตอ)

รปท หนา 4.4 แรงดนและกระแสทออกจากวงจรบกคอนเวอรเตอรท 40%D = 61 4.5 แรงดนและกระแสทออกจากวงจรบกคอนเวอรเตอรท 60%D = 61 4.6 แรงดนและกระแสทออกจากวงจรบกคอนเวอรเตอรท 80%D = 62 4.7 แรงดนและกระแสทออกจากวงจรบกคอนเวอรเตอรท 100%D = 62 4.8 สญญาณขบนาไอจบทของอนเวอรเตอร 63 4.9 กระแสกบแรงดนทโหลดเรโซแนนซขนานขณะใสชนงานท 40%D = 64 4.10 กระแสกบแรงดนทโหลดเรโซแนนซขนานขณะชนงานรอนท 40%D = 65 4.11 แรงดนกบกระแสทบกคอนเวอรเตอรทจายใหกบอนเวอรเตอรท 40%D = 65 4.12 แรงดนกบกระแสทขดลวดเหนยวนาท 40%D = 66 4.13 กระแสกบแรงดนทโหลดเรโซแนนซขนานขณะใสชนงานท 67% D = 66 4.14 กระแสกบแรงดนทโหลดเรโซแนนซขนานขณะชนงานรอนท 67 %=D 67 4.15 แรงดนกบกระแสทบกคอนเวอรเตอรทจายใหกบอนเวอรเตอรท 67 %D = 67 4.16 แรงดนกบกระแสทขดลวดเหนยวนาท 67 %D = 68 4.17 กระแสกบแรงดนทโหลดเรโซแนนซขนานขณะไมมชนงานท 67 %=D 68 4.18 ความสมพนธของกระแสกบอณหภมของชนงาน 71 4.19 ความสมพนธของอณหภมกบเวลาการใหความรอนของชนงาน 72 4.20 ความสมพนธระหวางกาลงไฟฟากบเวลาการใหความรอน 73 4.21 การวดกาลงทางเขาดวยเครองวดเพาเวอรควอลต อนาไลเซอรของฟลค รน 434 74 4.22 การวดฮารมอนกทางเขาดวยเครองวดเพาเวอรควอลต อนาไลเซอรของฟลค รน 434 74 ก.1 เครองตนแบบชดเหนยวนาความรอน 79 ก.2 ชนงานยงไมรบความรอน 79 ก.3 ชนงานทกาลงถกใหความรอน 80 ก.4 การวดอณหภมทชนงานทดวตไซเคล 67 % เปนเวลา 1.5 นาท 80

บทท 1 บทนา

1.1 ทมาของงานวจย การใหความรอนแบบเหนยวนา (Induction heat) เปนวธการใหความรอนกบชนงานทเปนตวนาทางไฟฟาโดยไมมการสมผสกนทางไฟฟาและในกระบวนการใหความรอนไมตองใชวสดตางๆมาเปนเชอเพลงเชน นามน แกส หรอฟนซงจะใหความรอนจากผวชนงานและในระหวางกระบวนการใหความรอนจะมการสญเสยความรอนใหกบบรเวณโดยรอบ การใหความรอนแบบเหนยวนานความรอนถกสรางขนภายในชนงานโดยตรงจงเกดความสญเสยความรอนนอยทาใหประสทธภาพของการใหความรอนสงมาก รอนเรว สะอาดไมเกดฝนและควนจากการเผาไหม การควบคมความรอนทาไดงาย ไมตองใชเวลาในการเตรยมความรอนและไมตองมสถานทเกบเชอเพลง การใหความรอนแบบเหนยวนาในสภาวะปจจบนนเปนวธทเหมาะสมอยางยง ไมวาจะเปนเรอง ฝน ควน ความรอนทถายเทใหกบโลก การสนเปลองพลงงานทนอยกวาประกอบกบเทคโนโลยของอปกรณสารกงตวนาทสงขนเชน ความเรวในการสวตช ความสามารถในการสงผานกาลงไฟฟาทสงขน รวมทงมการพฒนาวงจรควบคมอยางตอเนองและราคาของอปกรณสารกงตวนาทตาลง ดวยเหตดงกลาวอตสาหกรรมการผลตทเกยวของกบการใหความรอนกบชนงานทเปนตวนาทางไฟฟาสวนใหญใชวธการใหความรอนแบบเหนยวนา เชน งานหลอมละลาย งานเชอมประสาน งานขนรปและงานชบแขง นอกจากนยงนามาพฒนาใชในการผนกยา ผนกฝาเครองดมและทาเตาหงตมอาหาร เปนตน การใหความรอนแบบเหนยวนาในแตละงานดงไดกลาวมาแลวนนใชหลกการเหนยวนาแบบเดยวกนเพยงแตสงทแตกตางออกไปคอ ขนาดกาลงของเครองและความถในการใชงานซงความถในการใชงานสงผลตอความลกของความรอนจากผวของชนงานลงไปในเนองาน เชนเครองใหความรอนแบบเหนยวนาทางานทความถ 50-60 Hz และ150-540 Hz คาความลกผวประมาณ 10-100 มม. ถาทางานทความถ 500-10 kHz คาความลกผวประมาณ 1-10 มม. [1] ดงนนการใหความรอนในงานแตละแบบจงตองคานงถงความถในการใชงาน งานบางชนดตองผานชดใหความรอนหลายชดทตางความถกนเพอใหความรอนแกชนงานเปนการเตรยมชนงานใหเหมาะสมกบการผลต แหลงจายกาลงสาหรบการใหความรอนแบบเหนยวนาทไดรบความนยมในขณะนเปนระบบแปลงผนจากสารกงตวนา (Solid–state converter system) ดงไดกลาวแลวขางตน แหลงจายไฟฟายงถกแบงออกเปนแหลงจายแรงดน (Voltage source) และแหลงจายกระแส (Current source) แหลงจายกระแสมขอดอยหลายประการ เชน ปองกนกระแสสงจากการลดวงจร ทางานขณะไมมชนงานไดและวงจรในการควบคมและปองกนไมยงยากซบซอนเปนตน แตปญหาของแหลงจายกระแสคอคาของ

2

ตวเหนยวนากรองกระแสตองมคาสงทาใหตวเหนยวนามขนาดใหญและราคาแพง ดงนนงานวจยนจงนาเสนอการออกแบบและสรางชดเหนยวนาความรอนดวยวงจรอนเวอรเตอรแบบแหลงจายกระแสชนดเอชบรดจ (H-Bridge) รวมกบวงจรดซคอนเวอรเตอรชนดทอนแรงดน โดยหลกการนาแหลงจายไฟฟากระแสสลบผานวงจรเรยงกระแสเขาสวงจรดซคอนเวอรเตอรชนดทอนแรงดนตออนกรมอยกบตวเหนยวนาเปนแหลงจายใหกบอนเวอรเตอรชนดแหลงจายกระแส โดยอาศยหลกการสวตชทความถสงทเหมาะสมสามารถลดขนาดและคาตวเหนยวนาลงได สวนการปรบกาลงทาไดดวยการปรบดวตไซเคล (Duty cycle) การควบคมการทางานของอนเวอรเตอรใชการควบคมมมเฟสคงท (Phase lock loop) เพอหลกเลยงกระแสสงขณะสวตชและไมใชหมอแปลงทางขาออกเพอใหประสทธภาพสงขน 1.2 วตถประสงคของการวจย 1.2.1 เพอศกษาความเหมาะสมในการเลอกคาตวเหนยวนาของวงจรดซทดซคอนเวอรเตอร ชนดทอนแรงดนเพอประยกตใชกบงานการใหความรอนแบบเหนยวนา 1.2.2 เพอออกแบบและสรางชดเหนยวนาความรอน โดยใชอนเวอรเตอรแหลงจายกระแสชนดเอชบรดจรวมกบดซทดซคอนเวอรเตอรชนดทอนแรงดน 1.3 ขอบเขตของงานวจย 1.3.1 ออกแบบและสรางชดใหความรอนแกโลหะสาหรบการทบขนรปดวยการเหนยวนาทางไฟฟา โดยมพกดกาลงไมตากวา 1 กโลวตต 1.3.2 ออกแบบและสรางชดอนเวอรเตอรแหลงจายกระแสชนดเอชบรดจทสามารถควบคมความถสวตชทประมาณ 40 kHz โดยจดการทางานสงกวาความถเรโซแนนซตลอดยานการทางาน โดยใชแหลงจายกระแสเปนดซทดซคอนเวอรเตอรชนดทอนแรงดน 1.4 วธการวจย

1.4.1 ศกษาวธการใหความรอนโดยอาศยหลกการเหนยวนาเบองตน 1.4.2 ศกษาหลกการของอนเวอรเตอรแหลงจายกระแสเอชบรดจ 1.4.3 ศกษาหลกการของวงจรดซทดซคอนเวอรเตอรและการเลอกคาความเหนยวนา

1.4.4 ศกษาและทดลองการควบคมการทางานของวงจร 1.4.5 ศกษาและทดลองการควบคมเอาทพทของอนเวอรเตอรแหลงจายกระแส

1.4.6 ออกแบบและจาลองการทางานของเครองตนแบบ 1.4.7 สรางตนแบบชดใหความรอนเพอทบขนรปแบบเหนยวนา 1.4.8 ทดสอบเครองใหความรอน แกไขและปรบปรง

3

1.4.9 เกบขอมล, วเคราะหผลและสรปผลการทดลอง 1.4.10 จดทาวทยานพนธ 1.5 ประโยชนทคาดวาจะไดรบจากงานวจย 1.5.1 ตนแบบเครองใหความรอนแบบเหนยวนาชนดแหลงจายกระแสทมคาความเหนยวนาตา 1.5.2 เครองใหความรอนแบบเหนยวนาสามารถปรบกระแสเขาชดอนเวอรเตอรไดกวางขน 1.5.3 สามารถนาไปประยกตใชงานภาคอตสาหกรรม

1I1

2 12

NI IN

=

LZ1N 2N

1I

1N LZ1

2 1 1I I N=

บทท 2 วรรณกรรมหรองานวจยทเกยวของ

การใหความรอนแบบเหนยวนาเปนวธการใหความรอนกบชนงานทเปนตวนาทางไฟฟาโดยไมมการสมผสกนทางไฟฟาความรอนถกสรางขนภายในชนงาน หลกการทางานอาศยการเหนยวนาทางไฟฟา เครองใหความรอนแบบเหนยวนาจะประกอบดวย 3 สวนใหญๆ คอขดลวดเหนยวนาและชนงานทจะใหความรอน (Work-coil and Work-piece) อนเวอรเตอร (Inverter) และแหลงจายไฟฟากระแสตรง 2.1 หลกการใหความรอนแบบเหนยวนา การเหนยวนาของสนามแมเหลกไฟฟาเปนหลกการพนฐานของการใหความรอนแบบเหนยวนา หลกการนไดนามาใชในมอเตอร เครองกาเนดไฟฟา หมอแปลงไฟฟา เปนตน เมอใชงานจะเกดความรอนขนซงมผลมาจากกระแสซงเรยกวากระแสไหลวน (Eddy current) ความรอนลดลงเมอใชเหลกแผนบางอาบฉนวน (Laminates sheet steel) ในปจจบนไดนาหลกการเกดความรอนจากการเกดกระแสไหลวนดงกลาวมาใชเพอใหความรอนกบชนงานท เปนตวนาทางไฟฟาเรยกวาเตาเหนยวนา (Induction furnace) หลกการทางานพนฐานคลายกบหมอแปลงไฟฟาโดยขดลวดทางดานทตยภม (Secondary winding) มเพยงรอบเดยวซงหมายถงการลดวงจรทางทตยภมดงแสดงในรปท 2.1(ข) (ก) วงจรสมมลอยางงายของหมอแปลง (ข) วงจรสมมลของขดเหนยวนากบชนงาน

รปท 2.1 วงจรสมมลของหมอแปลงและขดลวดเหนยวนากบชนงาน

ชนงานเปรยบเสมอนขดทตยภมทลดวงจรอยในขดลวดปฐมภมททาหนาทสรางสนามแมเหลกคลองผาน บางสวนคลองผานขดลวด ผานอากาศ และคลองผานชนงานดงรปท 2.3 สนามแมเหลกทคลองผานชนงานจะเหนยวนาทาใหเกดกระแสไหลวนทชนงานและจะทาใหเกดความรอนขนท

5

ชนงานขนอยกบปรมาณของกระแสไหลวน (I eddy ) และความตานทานของชนงาน (Rw) เปนตามสมการกาลงไฟฟาซงมคาเทากบ I

2eddy Rw โดยทกระแสจะหาไดจากความเขมของสนามแมเหลก

ความตานทานหาไดจากคาความตานทานจาเพาะ (Resistivity, ρ ) และความซมซาบแมเหลกของชนงาน (Permeability,µ )

2.2 ปรากฏการณทางผว (Skin effect) เมอความถของกระแสเพมมากขนจะสงผลใหกระแสทเหนยวนาขนทชนงานมความเขมสงทบรเวณรอบๆผวของชนงานและจะลดลงเมอลกเขามาในเนอผวตามแนวรศมดงสมการ (2.1) หลกการดงกลาวกระแสไหลวนจะมความหนาแนนมากทสดทบรเวณผวของชนงาน ความหนาแนนของกระแสลดลงมาเปนประมาณ 0.368 เทาของคาความหนาแนนกระแสทผวของชนงานทคาความลกผว (Skin depth) ความลกผวสามารถคานวณไดจากสมการท (2.2) [1]

-x/x 0i = i e δ (2.1)

โดย xi : ความหนาแนนของกระแสทลกจากผวเขามา x oi : ความหนาแนนของกระแสทผว δ : ความลกผว (Skin depth) x : ระยะลกเขาในเนอผว

0 1 2 3 4 5 6 70

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

สดสวนความ

หนาแนน

ของกระแ

ส

xδ

รปท 2.2 กราฟการกระจายความหนาแนนของกระแสกบความลกผว

6

รปท 2.3 หลกการพนฐานการใหความรอนแบบเหนยวนา [1]

ρδ

µ π=

f (2.2)

โดย

δ : ความลกผว (m) ρ : ความตานทานจาเพาะของชนงาน (Ω -m) µ : ความซมซาบแมเหลกของชนงาน (H/m) f : ความถของแหลงจายไฟสลบ (Hz) 2.3 ผลของอณหภม (Temperature effect) ในระหวางกระบวนการใหความรอนกบชนงาน พลงงานความรอนทใหกบชนงานแตละชนดทอณหภมเดยวกนจะไมเทากนเนองจากคาความตานทานจาเพาะและคาความซมซาบของชนงานแตละชนดทนามาใหความรอนไมเทากน นอกจากนนเมออณหภมเปลยนไปยงสงผลใหคาความตานทานจาเพาะและคาความซมซาบของชนงานเปลยนแปลงไป 2.3.1 ความรอนจาเพาะ (Specific heat) เมอตองการทาใหชนงานมอณหภมตามตองการจะตองใหพลงงานจานวนหนงขนอยกบชนดและนาหนกของชนงาน โดยพลงงานทใชสามารถคานวณจากความรอนจาเพาะของชนงานแตในปจจบนจะคานวณจากความจความรอน (Heat Content) ดงรปท 2.4 หนวยเปนกโลวตต-ชวโมงตอตน (Kilowatt-Hours per Tonne)

7

รปท 2.4 กราฟความจความรอนของโลหะชนดตางๆ [1] 2.3.2 ความตานทานจาเพาะ (Resistivity) ความตานทานจาเพาะของโลหะจะเปลยนแปลงไปตามอณหภม โดยสวนใหญจะเปลยนแปลงเปนแบบเชงเสนดงสมการ (2.3) เปนสมการการเปลยนแปลงของความตานทานจาเพาะเมออณหภมเปลยนไป รปท 2.5 เปนกราฟของการเปลยนแปลงความตานทานเมออณหภมเปลยนไป

[ ]1 11 ( )θρ ρ α θ θ= + − (2.3)

โดย θρ : คาความตานทานจาเพาะทอณหภมθ ใดๆ 1ρ : คาความตานทานจาเพาะทอณหภม 1θ α : สมประสทธของการเปลยนแปลงเนองจากอณหภมθ

8

รปท 2.5 กราฟของความตานทานจาเพาะทเปลยนไปตามอณหภม [1] 2.4 ขดลวดเหนยวนาและชนงาน (Work-coil and Work-piece) โดยทวไปจะแทนทขดลวดเหนยวนาและชนงานดวยตวเหนยวนาตออนกรมรวมกบตวตานทาน ขณะใหความรอนอณหภมทเพมขนสงผลใหคาความเหนยวนาและคาความตานทานของขดลวดเหนยวนาและชนงานทเปนสารแมเหลกมคาสงขนตาม เมออณหภมเพมขนถงจดกร (Curie point) คาความเหนยวนาและคาความตานทานจะลดลงอยางมากแบบทนททนใดซงมคาตากวาขณะทมอณหภมตา เนองจากชนงานทเปนสารแมเหลกจะมคาความซมซาบแมเหลกสมพทธ (µr ) สงมาก ประมาณ 5000-15,000 ขนอยกบชนดของชนงาน [2] แตเมออณหภมของชนงานสงถงจดกรคาความซมซาบสมพทธของชนงานลดลงเหลอเพยงหนงหมายถงคาความซมซาบของชนงานจะเทากบอากาศนนเองสงผลใหคาความเหนยวนาและความตานทานลดลงอยางรวดเรว

คาความเหนยวนาของขดลวดเหนยวนาขนอยกบปจจยหลายประการ เชน ขนาดของขดลวดนาเหนยวนา รปรางและขนาดของชนงาน คณสมบตของชนงาน อณหภมและความเขมสนามแมเหลก ทกลาวมาไมสามารถแสดงดวยสมการแบบงายๆ ในปจจบนนกออกแบบขดลวดเหนยวนาเพอใหเกดความรอนทชนงานจะวเคราะหผลการออกแบบโดยใชโปรแกรมไฟไนทอลเมนท (Finite element)

9

เปนโปรแกรมการศกษาพฤตกรรมของโหลดระหวางกระบวนใหความรอน เนองจากสนามแมเหลกจากขดลวดเหนยวนาทคลองผานชนงานจะมจานวนลดลงลดลงเปนฟงกชนเอกโปรเนนเชยล (Exponential function) ตามความลกของผวมผลใหกระแสไหลวนมมากบรเวณพนผวงานและจะลดลงเมอลกลงในเนอผวงานคลายกบสนามแมเหลก วตถประสงคของการใหความรอนแบบเหนยวนาเมอเทยบกบหมอแปลงไฟฟาจะแตกตางกนในเรองของกระแสไหลวนซงไมตองการใหเกดขนในหมอแปลง แตกลบเปนความตองการในการใหความรอนแบบเหนยวนา สาหรบในรปท 2.6 เปนกราฟการทดลองวดคาความเหนยวนาและความตานทานของชนงานทเปนสารแมเหลกทมคาเพมขนตามอณหภมจนกระทงเมออณหภมถงจดกรคาของความเหนยวนาและความตานทานจะลดลงอยางรวดเรว

Induct

ance,L

w(µH

)

0.44

0.46

0.52

0.5

0.48

0.54

0.56

Temperature (oC)200100 300 500400 600 700

1

0.9

0.8

0.7

0.6

0.5

Res

ista

nce,

Rw

(Ω)

Laboratory Experimenttal Data

รปท 2.6 กราฟผลการทดลองวดคาความเหนยว ความตานทานกบอณหภม [2]

เนองจากคาความเหนยวนาและความตานทานเปลยนคาไปเนองจากการเพมขนของอณหภม ในระหวางกระบวนการใหความรอนเพอไมใหอณหภมของขดลวดเหนยวนาเปลยนแปลงไปสวนมากจะใชนาระบายความรอนใหกบขดลวดเหนยวนาจงถอไดวาคาความเหนยวนาและคาความตานทานของขดลวดเหนยวนาคงทตลอดกระบวนการใหความรอนแตอยางไรกตามความตานทานของชนงานยงคงเปลยนไป แนวทางในการคานวณหาคาความตานทานของชนงานรปทรงกระบอกแสดงไวในรปท 2.7 สามารถหาคาความตานทานของชนงานรปทรงกระบอกไดดงน

10

δ

w

l

ρδ

≈wlRw

(2.4)

โดย wR : ความตานทานของชนงาน l : ความยาวของความลกผวของชนงาน w : ความกวางของชนงานทเกดความรอน

δ

l

w

( ก ) ( ข )

รปท 2.7 แนวการคานวณความตานทานชนงานรปทรงกระบอก คาผลคณของระหวางδ กบw คอพนทหนาตดของชนงานทมกระแสไหลเมอนาสมการท (2.2) แทนลงในสมการท (2.4) จะไดเปนสมการท (2.5) จะเหนไดวาคาของความตานทานของชนงานจะเปลยนเมออณหภมเปลยน เนองจากคาความตานทานจาเพาะของชนงานและคาความซมซาบแมเหลกเปลยนแปลงไปตามอณหภม

ρµ≈wlR fw

(2.5)

11

2.5 ตวประกอบคณภาพ (Quality Factor,Q ) ในการใหความรอนแบบเหนยวนาสวนมากจะใชยานของโหลด (Load Range) เปนคาในยานของตวประกอบคณภาพดงสมการท (2.6)

ω= s w

lw

LQR

(2.6)

โดย lQ : คาตวประกอบคณภาพของโหลด ωs : ความถสวตช ความถทใชในการใหความรอนแบบเหนยวนาจะใชความถทใกลความถ เรโซแนนซ(Resonance, 0ω )โดยการนาคาตวเกบประจมาตอรวมกบขดลวดเหนยวนาและชนงาน คาตวประกอบคณภาพในสมการ (2.6) นามาเขยนใหมไดเปนสมการท (2.7) ซงโดยทวไปคาตวประกอบคณภาพใชกนอยางอสระแตคาของตวประกอบคณภาพทควรจะใชกบชนงานทเปนสารแมเหลกและความถสวตชสงจะใชคาระหวาง 3-10 สวนชนงานทไมใชสารแมเหลกจะใชคาประมาณ 10-15 เมอใชความถสวตชทเรโซแนนซจากสมการท (2.6) จะสามารถนามาเขยนไดดงสมการท (2.8)

0 00

ω ωω

= =wl

w S

LQ QR

(2.7)

01

= w

w

LQR C

(2.8)

2.6 วงจรสมมลขดลวดเหนยวนาและชนงาน (Work-coil and Work-piece Equivalent Circuit) ขดลวดเหนยวนาและชนงานสามารถเขยนวงจรสมมลดวยตวเหนยวนาตออนกรมกบตวตานทาน ขดลวดเหนยวนาสวนใหญจะพนขดลวดชนเดยว (Single Layer) ระบายความรอนดวยนาในระหวางกระบวนการใหความรอนเพอลดกาลงไฟฟาสญเสยและความรอนทไดรบมาจากชนงานนอกจากนนยงทาใหใหคาความเหนยวนาและความตานทานของขดลวดเหนยวนาคงท เสนแรงแมเหลกทเกดจากกระแสไหลผานขดลวดเหนยวนาแบงออกไดเปน 3 สวน ดงรปท 2.8 ไดแกเสนแรงแมเหลกทคลองชนงาน (Work Flux , wφ ) จะทาใหเกดกระแสไหลวนทชนงาน กระแสทไหลในชนงานสงผลใหเกดความรอนขน เสนแรงแมเหลกทคลองชองวางอากาศ (Air-gap Flux , gφ ) โดยปกตชองวางระหวางขดลวดเหนยวนากบชนงานจะมระยะหางคอนขางมากเพอความสะดวกในการปอนหรอนาชนงานออก นอกจากนนยงเปนฉนวนความรอนใหกบขดเหนยวนา สวนทสามเปนเสนแรงแมเหลกทคลองขดลวดเหนยวนา (Coil Flux , cφ ) เสนแรงในสวนนทสงผลใหเกดปรากฎการณทางผวเชนเดยวกบทเกดทชนงานผลรวมของเสนแรงแมเหลกทเกดขนทงหมด ( 0φ ) แสดงไวใน

12

สมการท (2.9) เมอนาไปเขยนเปนวงจรสมมลทางแมเหลกและทางไฟฟาไดดงรปท 2.9 และ 2.10

0 w g cφ φ φ φ= + + (2.9)

ประสทธภาพของขดลวดเหนยวนา w

w c

RR R

η =+

(2.10)

รปท 2.8 เสนแรงแมเหลกทคลองผานสวนตางๆ ของขดลวดเหนยวนาและชนงาน [1]

H

wφcmφ

gφ

Re Im Re Im

รปท 2.9 วงจรสมมลทางแมเหลกของขดลวดเหนยวนาและชนงาน [1]

รปท 2.10 วงจรสมมลทางไฟฟาของขดลวดเหนยวนา [1]

cR wR

cX gX wX

cE

cI

13

ตวประกอบกาลงของขดลวดเหนยวนา

cos w cR RZ

θ += (2.11)

กาลงงานทขดลวดเหนยวนา

wc

PPη

= (2.12) เมอนาสมการตางๆทเกยวของกบคาพารามเตอรของขดเหนยวนา เมอนามาเชอมโยงจะพบวา

- คาประสทธภาพของขดเหนยวนาขนอยกบชนดของชนงานทตองการใหความรอนโดยหากคาความตานทาน wR กบ cR มคาใกลเคยงกนจะทาใหประสทธภาพมคาประมาณ 50% จงสามารถสรปไดวา ถากาหนดขนาดชนงานทเทากน ชนงานทมความตานทานจาเพาะทสงกวาจะมผลทาใหประสทธภาพของขดเหนยวนามคาสงกวา

- การทมชองวางอากาศระหวางชนงานกบขดเหนยวนาทสง จะทาใหคารแอกแตนซของขดเหนยวนามคาสงมผลทาใหตวประกอบกาลงของขดเหนยวนามคาตา ดงนนคาชองวางอากาศควรมคาท เหมาะสมกลาวคอเมอใสฉนวนความรอนกนแลวยงสามารถปอนชนงานเขาไปภายในขดเหนยวนาไดสะดวก

2.7 อนเวอรเตอรเรโซแนนซแบบแหลงจายกระแสเอชบรดจ

i

รปท 2.11 อนเวอรเตอรเรโซแนนซแบบแหลงจายกระแสเอชบรดจ

อนเวอรเตอรเรโซแนนซแบบแหลงจายกระแสเอชบรดจ ดงแสดงในรปท 2.11 จะประกอบดวยแหลงจายกระแสไฟตรงคงท (Constant Current-Source) ซงในทางปฏบตกสามารถทาไดโดยการตอแหลงจายแรงดนปรบคาไดอนกรมกบตวเหนยวนาขนาดใหญ (Ld) เพอกรองใหกระแสเรยบสวตชของอนเวอรเตอรจะตองเปนชนดทสามารถปดกนแรงดนไดสองทาง เชน เอสซอาร, ทรานซสเตอร

14

อนกรมกบไดโอด, ไอจบทอนกรมกบไดโอด เปนตน และเพอใหเกดกระแสพลสสลบทโหลด การทางานของสวตชจะตองทางานในลกษณะคประกอบดงน S1 , S4 ON และ S2 , S3 OFF Ii += 2/0 Tt << S1 , S4 OFF และ S2 , S3 ON Ii −= TtT <<2/ 2.7.1 การวเคราะหผลตอบสนองของโหลดเรโซแนนซขนานทมตอกระแสพลสสเหลยม สาหรบแรงดนทโหลดมลกษณะเกอบจะเปนคลนไซนและในกรณทโหลดมคาตวประกอบการหนวงตาและความถในการทางานใกลกบความถเรโซแนนซ เพอใหสะดวกในการวเคราะหสามารถเขยนเปนวงจรสมมลอยางงายดงรปท 2.12 สามารถวเคราะหโดยกฎของเคอรชอฟฟดงน

i

i

vT

รปท 2.12 วงจรสมมลของแหลงจายกระแสทใชในการวเคราะหวงจร

Ldv vC i idt R

+ + = (2.13)

แทนคา Ldiv L

dt= ลงในสมการ (2.13)

2

2L L

Ld i diLCL i idt R dt

+ + = (2.14)

2

2

1 1L LL

d i di i idt RC dt LC

+ + = (2.15)

15

จากสมการท (2.15)จะไดคาตางๆดงน

ความถธรรมชาต 01(Natural Frequency , )LC

ω =

สมประสทธการหนวง 1(Damping Coefficient , ) 2RC

α =

ตวประกอบการหนวง 1(Damping Factor , )2

LR C

ζ = 2.7.2 การวเคราะหหากาลงไฟฟา สญญาณแรงดนของอนเวอรเตอรเรโซแนนซแบบขนานจะมลกษณะเปนรปคลนไซนเมออนเวอรเตอรทางานใกลกบความถเรโซแนนซ โหลดมคาตวประกอบการหนวงตา โดยสญญาณกระแสจะมลกษณะเปนรปคลนพลสสลบ [3] ดงรปท 2.13 รปคลนของกระแสมลกษณะเปนฟงกชนค

( )i t

รปท 2.13 รปคลนสญญาณกระแสและแรงดนทโหลด การคานวณหากาลงไฟฟาจาก

0

1 T

P vi dtT

= ∫ (2.16)

องคประกอบฮารมอนกตางๆ ของกระแสพลสสเหลยมเปนดงสมการ (2.17)

1 3 5( ) sin sin 3 sin 5 ... sinni t I t I t I t I n tω ω ω ω= + + + + (2.17)

โดยท

41 π

mII = และ 4πnII m

n = ; n = จานวนค

v

16

คาองคประกอบหลกมล 1rmsI ของกระแสมคาดงสมการ(2.18)

14

2m

rmsII

π= (2.18)

แรงดนทโหลดมลกษณะเปนรปคลนไซน คานวณกาลงไฟฟาจากสมการ (2.19),(2.20)

1, 1,load rms rmsP I V= × (2.19)

2 m mload

I VPπ

= (2.20)

2.7.3 การทางานของอนเวอรเตอรทความถใกลเคยงเรโซแนนซ การทางานของอนเวอรเตอรแหลงจายกระแสทสาคญตอการนาไปประยกตใชงานแบงไดเปน 2 แบบใหญๆ คอ การทางานทความถตากวาความถเรโซแนนซและการทางานทความถสงกวาความถเรโซแนนซ ก. การทางานทความถตากวาความถเรโซแนนซ อนเวอรเตอรทแสดงไวในรปท 2.11 ถาการทางานทความถตากวาความถเรโซแนนซจะทาใหโหลดมสภาพเปนอนดคตฟ (Inductive) แรงดนจะนาหนากระแสโดยมรปคลนของแรงดนกบกระแสทโหลดและสวตชของอนเวอรเตอรเรโซแนนซแบบแหลงจายกระแสเอชบรดจดงรปท 2.14 (ก) จะเหนไดวาสวตชตวทนากระแสอยจะหยดนากระแสไดเมอหยดปอนแรงดนทเกตและสวตชทเปดวงจรอยจะนากระแสไดกตอเมอสวตชอกตวหยดนากระแสไปแลว ซงชวงดงกลาวอาจทาใหเกดการทางานทไมตอเนองกนของสวตช จงทาให เกดสภาวะการเปดวงจรของตวเหนยวนากรองกระแส (Ld) ทาใหเกดแรงดนยอดสง (Spike Voltage) ขนทสวตชอาจทาใหสวตชเสยหายได สาหรบการปดกนแรงดนของสวตชนนในชวงทแรงดนตกครอมสวตชเปนบวกไอจบทจะปดกนแรงดนไวและเมอแรงดนตดลบไดโอดจะทาหนาทปดกนแรงดนแทน ข. การทางานทความถสงกวาความถเรโซแนนซ การทางานทความถสงกวาความถเรโซแนนซจะทาใหโหลดมสภาพเปนคาปาซตฟ (Capacitive) กระแสจะนาหนาแรงดน ดงรปท 2.14 (ข) เปนรปคลนของแรงดนกบกระแสทโหลดและทสวตชของอนเวอรเตอร เรโซแนนซแบบแหลงจายกระแสเอชบรดจทแสดงไวในรปท 2.11 จากรปจะเหนไดวาเมอใหสวตชของอนเวอรเตอรตวทเปดวงจรอยใหนากระแสจะทาใหสวตชตวทนากระแสอย

17

กอนไดรบแรงดนรเวอรสไบแอส (Reverse Bias) จงหยดนากระแสทาใหการทางานของสวตชเปนไปไดอยางตอเนองกนหรอเรยกวาเปนแบบคประกอบกน (Complementary Switch) สาหรบการปดกนแรงดนของสวตชนนในชวงทแรงดนตกครอมสวตชเปนบวกไอจบทจะปดกนแรงดนไว เมอแรงดนเปนลบไดโอดจะทาหนาทปดกนแรงดนแทน จากการทางานทความถสงกวาความถเรโซแนนซ จะมการสญเสยในชวงการตดวงจรของไดโอดและไอจบทตอวงจรสวนการตดวงจรของไอจบทและการตอวงจรของไดโอดเกดขนทแรงดนศนย จงไมมการสญเสย สวนในกรณการทางานทความถตากวาความถเรโซแนนซ จะมการสญเสยในชวงการตดวงจรของไอจบทและไดโอดตอวงจร สวนการตอวงจรของไอจบทและการตดวงจรของไดโอดเกดขนทแรงดนศนย จงไมมการสญเสย เมอพจารณาจากการทางานทความถทงสองแบบ จงเลอกใหอนเวอรเตอรทางานทความถสงกวาความถเรโซแนนซเลกนอยเพอใหกาลงผานไปทโหลดมคาสงและไมทาใหเกดความเสยหายกบอปกรณเนองจากแรงดนยอดมคาสง

i

v

ov

v

i

0

0

0

0

0

1 4,s si i

1Sv

1 3 2 4,s s s sv v

v

0

i

0

0

0

1 4,s si i

0

ov

v

1Sv

1 3 2 4,s s s sv v

(ก) ความถตากวาเรโซแนนซ (ข) ความถสงกวาเรโซแนนซ

รปท 2.14 รปคลนทโหลดและอปกรณสวตชอนเวอรเตอร

18

SV oVLR

2.8 วงจรแปลงผนกาลงไฟฟากระแสตรงเปนกระแสตรงชนดทอนแรงดน วงจรแปลงผนกาลงไฟฟากระแสตรงเปนกระแสตรงชนดทอนแรงดนในปจจบนนยมเรยกวา วงจรบกคอนเวอรเตอร (Buck Converter) ดงรป 2.15 เปนวงจรททาใหแรงดนทางดานออกมระดบตากวาแรงดนทางเขาโดยระดบของแรงดนทางออกจะเปลยนแปลงไปตามระยะเวลาการนาและหยดนากระแสของอปกรณสวตชเชน มอสเฟต หรอ ไอจบท โดยอตราสวนระหวางชวงเวลาทอปกรณสวตชนากระแส ( ont ) กบคาบเวลา (T ) เรยกวา ดวตไซเคล (Duty Cycle) ดงสมการ (2.21) เพอใหแรงดนทางดานออกมความเปนกระแสตรงมากๆจงนยมตอวงจรกรองความถตา (Low Pass Filter) รวมดวย สวนการออกแบบวงจรเพอใหไดแรงดนดานออกตามตองการจะแบงการพจารณาการทางานของสวตชเปนขณะทสวตชนากระแสและสวตชไมนากระแส (ก) วงจรพนฐานบกคอนเวอรเตอร (ข) วงจรเทยบเทาวงจรพนฐาน

SV

oV

(ค) รปคลนแรงดนไฟฟาดานออก

รปท 2.15 หลกการพนฐานของวงจรวงจรบกคอนเวอรเตอร

SV oVLR

19

SVoVLR

LV

DV

Li Ci oi

รปท 2.16 วงจรบกคอนเวอรเตอร

ดวตไซเคล (D) = ontT

(2.21) 2.8.1 ขณะสวตชนากระแส เมอสวตชในรปท 2.17 ขณะทสวตชนากระแส กระแสไฟฟาจะไหลผานตวเหนยวนาไปยงโหลด ( )LR และอกสวนหนงจะไปเกบทตวเกบประจตามกฎของเคอรชอฟฟ (Kirschoff's Laws) สามารถหาคาการเปลยนแปลงของกระแส Li ไดดงน

SVoVLR

LV

DV

Li Ci

SV=

oi

รปท 2.17 วงจรเทยบเทาขณะสวตชนากระแส

0− + + =

= −S L o

L S o

V v Vv V V

จาก

L

L

S oL

d iv Ldt

V Vdid t L

=

−=

20

ในขณะทสวตชนากระแส dt DT=

,S o

L onV Vi DTL−⎛ ⎞∆ = ⎜ ⎟

⎝ ⎠

2.8.2 ขณะสวตชหยดนากระแส เมอสวตชไมนากระแสแรงดน LV ทาใหไดโอดนากระแสเปนผลใหกระแสไฟฟาทไหลผานตวเหนยวนาเปนไปอยางตอเนอง ดงรป 2.18 ตามกฎของเคอรชอฟฟหาคาการเปลยนแปลงของกระแส Li ไดดงน

0

0

L

L

v V

diL Vdt

= −

= −

, 0L offL i Vdidt t L

∆ −= =

∆

SVoVLR

L oV V=−

0DV =

Li Ci oi

รปท 2.18 วงจรเทยบเทาขณะสวตชหยดนากระแส

ในขณะทสวตชหยดนากระแสกระแสทไหลผานตวเหนยวนาจะลดลงเรอยๆชวงทสวตชหยดนากระแส (1 )= −dt D T สามารถหาคาความเปลยนแปลงกระแสในชวงหยดนากระแสไดดงน

, (1 )oL off

Vi D TL

⎛ ⎞∆ = − −⎜ ⎟⎝ ⎠

21

2.8.3 อตราขยายแรงดน ในชวงสภาวะอยตว การเปลยนแปลงของกระแสในขณะนากระแสผานตวเหนยวนาจะเทากบการลดของกระแสไฟฟาทไหลผานตวเหนยวนาขณะหยดนากระแสทาใหหาอตราขยายแรงดนไดดงน

, , 0

(1 ) 0

L on L off

S o o

i i

V V VDT D TL L

∆ + ∆ =

⎛ ⎞−⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ − − =⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎝ ⎠

( )

(1 ) 0

(1 ) 0

S o o

S o o

V V VDT D TL L

V V D V D

−⎛ ⎞ ⎛ ⎞− − =⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠

− − − =

จะไดอตราขยายแรงดน o

S

V DV

=

สาหรบอตราขยายแรงดนของวงจรบกคอนเวอรเตอรสงสดมคาเทากบ 1 หรอ 100% การปรบแรงดนทางออกของวงจรบกคอนเวอรเตอรสามารถทาไดโดยปรบดวตไซเคลตงแตศนยถงหนง แรงดนทางออกของวงจรมคาสงสดมคาเทากบแรงดนทางเขาแตในทางปฏบตแลวจะมคาตากวาเลกนอยเนองจากแรงดนทตกครอมสวตช 2.8.4 ตวเหนยวนาทเลกทสด สาหรบเงอนไขของคาตวเหนยวนาทเลกทสดททาใหกระแสตอเนองโดยอาศยหลกการทางานทสภาวะอยตวกระแสทไหลผานตวเหนยวนาจะมคาเทากบกระแสทไหลผานโหลดและกระแสทไหลผานตวเกบประจมคาเทากบศนยทาใหไดวา

oL o

VI IR

= =

กระแสสงสดและกระแสตาสดของตวเหนยวนาสามารถหาไดจากรปท 2.19 (ข) ทาใหไดวากระแสสงสดทผานตวเหนยวนามคาเทากบ

22

,max

,max

21 (1 )2

LL L

o oL

iI I

V VI D TR L

∆= +

⎡ ⎤= + −⎢ ⎥⎣ ⎦

,max1 (1 )

2L oDI V

R Lf⎡ ⎤−

= +⎢ ⎥⎣ ⎦

LV

S oV V−

oV−

tDT T

(ก) รปคลนของแรงดนทตกครอมตวเหนยวนา

Li

maxI

minIt

DT T

Li∆RI

(ข) รปคลนของกระแสทไหลผานตวเหนยวนา

Ci

tDT T

Li∆

(ค) กระแสทไหลผานตวเกบประจ

รปท 2.19 รปคลนการทางานของวงจรบกคอนเวอรเตอร

23

กระแสตาสดทไหลผานตวเหนยวนามคาเทากบ

,min

,min

21 (1 )2

LL L

o oL

iI I

V VI D TR L

∆= −

⎡ ⎤= − −⎢ ⎥⎣ ⎦

,min1 (1 )

2L oDI V

R Lf⎡ ⎤−

= −⎢ ⎥⎣ ⎦

คาของตวเหนยวนาทเลกทสดคอกระแสทไหลผานตวเหนยวนาเปนบวกเสมอและคาของกระแสทตาทสดทไหลผานตวเหนยวนา ( ,minLI ) มคาเปนศนยซงเปนชวงพอดกอนทกระแสจะอยในโหมดไมตอเนองดงนนจะไดวา

,min1 (1 ) 0

2L oDI V

R Lf⎡ ⎤−

= − =⎢ ⎥⎣ ⎦

1 (1 ) 02D

R Lf⎡ ⎤−

− =⎢ ⎥⎣ ⎦

1 (1 )2D

R Lf−

= เมอตองการคาตวเหนยวนาเลกสด

min(1 )

2D RLf

−=

2.8.5 ระลอกคลนแรงดนไฟฟาทางออก วงจรบกคอนเวอรเตอรจะตอตวเกบประจขนาดใหญเพอรกษาระดบแรงดนทางออกใหคงทในแตปญหาคอราคาแพงมากทางปฏบตจะเลอกตวเกบประจจากคาของระลอกคลนทยอมรบได เมอกระแสไหลผานตวเกบประจจะมประจสะสมคานวณจาก

oQ CV= oQ C V∆ = ∆

oQVC∆

∆ =

24

Ci

t

2T

2Li∆Q∆

(ก) กระแสทตวเกบประจ

ov

oV

≈t

oV∆

(ข) ระลอกคลนแรงดนทตวเกบประจ

รปท 2.20 รปคลนของกระแสทตวเกบประจและแรงดนทางออก

จากรปท 2.20 (ก) สามารถหา Q∆ ซงเปนผลคณของกระแสทตวเกบประจกบเวลาดงน

12 2 2 8

L Li T iTQ ∆ ∆⎛ ⎞⎛ ⎞∆ = =⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠⎝ ⎠

8L

oT iVC∆

∆ =

แทนคา Li∆ ดวย , (1 )o

L offVi D TL

⎛ ⎞∆ = −⎜ ⎟⎝ ⎠

ทาใหไดวา

(1 )

8o

oVTV D T

C L⎛ ⎞∆ = −⎜ ⎟⎝ ⎠

( )2 1 1

8o

o

V T DV C L∆ ⎛ ⎞= −⎜ ⎟

⎝ ⎠

2

18

o

o

V DV LCf∆ −

=

25

o

o

VV∆ เปนคาอตราสวนระลอกคลน (Ripple Ratio) สาหรบวงจรบกคอนเวอรเตอรท

ตองการอตราระลอกคลนนอยสามารถเพมคาตวเหนยวนา ตวเกบประจ ความถในการสวตชใหมคามากขนหรอเพมคาดวตไซเคลใหมากขน

2.9 วงจรเรยงกระแสสามเฟสแบบไดโอด

วงจรเรยงกระแสสามเฟสจะนยมใชในภาคอตสาหกรรมเพอจายแรงดนและกระแสไฟฟาไฟตรง วงจรเรยงกระแสสามเฟสแบบไดโอดเปนแบบทงายทสด วงจรเรยงกระแสสามเฟสแสดงในรปท 2.22 เปนวงจรเรยงกระแสระบบแรงดนไฟฟาสามเฟสแบบสมดลโดยสมมตใหแหลงจายและไดโอดเปนอดมคต

anV bnV cnV

n

ai 1DV 1D 3D 5D

4D 6D 2D

a b c

Oi

OvLoad

(ก) วงจรเรยงกระแสสามเฟสแบบไดโอด

tω

v

an bn cn an

(ข) แรงดนไฟฟาดานเขา

26

v

ab ac ca abbc ba cb ac

tω

0tω =23π

1Dv

ov

(ค) แรงดนไฟฟาดานออกและแรงดนตกครอมไดโอด 1D

tω

tω

oi

1Di

2Di

3Di

4Di

5Di

6Di

ai

(ง) กระแสไฟฟาทไหลผานไดโอดแตละตว และกระแสไฟฟาเฟสเอ ( ai )

รปท 2.21 วงจรเรยงกระแสสามเฟสแบบไดโอด

วงจรเรยงกระแสสามเฟสแบบไดโอดตามรปท 2.21 (ก) ไดโอดของวงจร ซกบนเพยงตวเดยว

ทนากระแสไฟฟาในเวลาหนงๆ (D1,D3 หรอ D5) โดยไดโอดทนากระแสไฟฟาจะมดานแอโนดตออย

27

กบแรงดนไฟฟาเฟสซงมคาแรงดนไฟฟาสงสดในเวลาหนง ๆและไดโอดของวงจรซกลางเพยงตวเดยวทนากระแสไฟฟาในเวลาหนงๆ (D2,D4 หรอ D6) ไดโอดทนากระแสไฟฟาจะมดานแคโธดทตออยแรงดนไฟฟาเฟส ซงมคาแรงดนไฟฟาในเวลาหนงๆตาสด จะพบวาไดโอด D1กบ D4ไมสามารถนากระแสไฟฟาพรอมกนได เชนเดยวกนกบ D3 กบ D6 รวมทง D5 กบ D2 แรงดนไฟฟาทตกครอมโหลดเปนแรงดนไฟฟาระหวางเฟส (line-to-line) ไดโอดคทนากระแสไฟฟากจะเปนไดโอดทตอระหวางแรงดนไฟฟาระหวางเฟสมคาสงสดในเวลาขณะนนเชน acv เปนแรงดนไฟฟาระหวางเฟสทมคาสงสดในขณะนน ไดโอด D1 กบ D2 นากระแสไฟฟาแรงดนไฟฟาดานออกกคอ acv เปนตน แรงดนไฟฟาระหวางเฟสเปลยนคาสงสดในหนงคาบ 6 ชวงแรงดนไฟฟาสงสดระหวางเฟสจะเปนชวง 60 องศา จงเรยกวงจรนวาวงจรเรยงกระแสแบบหกพลส การคานวณหาแรงดนไฟฟาดานออกเฉลยจะกระทาในชวง 60 องศา โดยจะเรมจากสวนยอดของแรงดนสาย (VL-L) ชวง 60 องศา ในรปท 2.22 (ค) จะเรมคานวณจาก / 3π ถง 2 / 3π ซงใน 1 คาบจะมจานวนลกคลนอย 6 ลกคลายกนทกลกเวลาจงหาแรงดนเฉลยดงสมการ (2.24) ดงนนความถหลกมลของแรงดนไฟฟาดานออกเปนหกเทาของความถของแหลงจายแรงดนไฟฟา

รปท 2.21 (ข) แสดงรปคลนแรงดนไฟฟาเฟส รปท 2.21 (ค) แสดงรปคลนแรงดนไฟฟาดานออกทเกดจากแรงดนไฟฟาระหวางเฟส ในรปท 2.21 (ง) แสดงรปคลนกระแสไฟฟาทผานไดโอดและกระแสในเฟสเอ ( ai ) ในวงจรทมโหลดตวตานทาน ไดโอดแตละตวจะนากระแสไฟฟาเพยงหนงในสามของคาบเวลา ดงนนจะไดดงน [4]

I D, av = 1

3I o, av

I D, rms = 13

I o, rms

I s, rms = 23

I o, rms

โดย I D, av คอ กระแสไฟฟาเฉลยของไดโอด I D, rms คอ รากของกาลงสองเฉลยของกระแสไดโอด I s, rms คอ รากของกาลงสองเฉลยของกระแสแหลงจาย I o, av คอ กระแสไฟฟาเฉลยทโหลด I o, rms คอ รากของกาลงสองเฉลยของกระแสโหลด สญญาณรายคาบของแรงดนไฟฟาดานออกจะเปนดงสมการ (2.22) เนองจากรปคลนแรงดน

เปนแบบสมมาตรทาใหสมประสทธของเทอมฟงกชนไซนจะมคาเทากบศนย อนกรมฟเรยรของ

28

แรงดนไฟฟาดานออกจะมคาดงสมการ (2.23) คาแรงดนไฟฟาเฉลยดานออกหรอคาองคประกอบไฟฟากระแสตรงมคาตามสมการ (2.24)

,( ) sin( )o m L Lv t V tω ω−= ; 2

3 3π πω⎛ ⎞≤ ≤⎜ ⎟⎝ ⎠

t (2.22)

0 0 06,12,18,...

( ) cos( )nn

v t V V n tω π∞

=

= + +∑ (2.23)

23

,0 , ,

3

31 sin( ) ( ) 0.955/ 3

m L Lm L L m L L

VV V t d t V

π

π

ω ωπ π

−− −= = =∫ (2.24)

โดยท L LV − หมายถง คาแรงดนไฟฟายอดระหวางสายซงจะมคาเทากบ ,2 L L rmsV − สาหรบขนาดของแรงดนไฟฟาดานออกทอยในรปไฟฟาสลบหรอแรงดนฮารมอนกจะมคาดงสมการ (2.25)

,

2

6( 1)m L L

n

VV

nπ−=−

; n= 6, 12, 18,… (2.25)

เนองจากแรงดนไฟฟาดานออกเปนสญญาณรายคาบทมคาบเวลาเทากบ 1/6 เทาของคาบเวลาจากแหลงจายแรงดนไฟฟากระแสสลบ แรงดนไฟฟาฮารมอนกดานออกจะมลาดบเทากบ 6kω โดยท k = 1, 2, 3… สาหรบขอดของวงจรเรยงกระแสสามเฟสทเหนอกวาแบบเฟสเดยวกคอ แรงดนไฟฟาดานออกจะใกลเคยงแรงดนไฟฟากระแสตรงมากกวา และฮารมอนกทลาดบสงจะสามารถกาจดไดอยางมประสทธผลกวากรณเฟสเดยว ในงานดานอเลกทรอนกสกาลงหลายงานทโหลดจะตออนกรมอยกบตวเหนยวนา ทมคาความเหนยวนาสงมาก ซงจะเปนผลทาใหกระแสไฟฟาดานโหลดใกลเคยงไฟฟากระแสตรงมาก รปท 2.22 แสดงกระแสไฟฟาทไหลผานไดโอดและกระแสไฟฟาดานเขาเมอโหลดเปนไฟฟากระแสตรง สาหรบอนกรมฟเรยรของกระแสไฟฟาเฟสดานเขาจะมคาดงสมการ(2.26) จะประกอบดวยเทอมความถมลฐานของระบบไฟฟากาลงและฮารมอนกลาดบท ±6 1k โดยท =1,2,3,...k

0 0 0 02 3 1 1( ) cos( ) cos(5 ) cos(7 ) ...

5 7ai t I t t tω ω ωπ

⎡ ⎤= − + −⎢ ⎥⎣ ⎦ (2.26)

กาลงปรากฏ (Apparent power) จากแหลงจายจะหาไดจากสมการ(2.27)

, ,3 L L rms s rmsS V I−= (2.27)

29

Oi

1Di

2Di

3Di

4Di

5Di

6Di

ai

bi

ci

tω

รปท 2.22 กระแสไฟฟาในวงจรเรยงกระแสสามเฟสเมอผานการกรองความถแลว

2.10 เฟสลอกลป (Phase locked loop, PLL) เฟสลอกลปเปนระบบการควบคมความถโดยใชการเปรยบเทยบความถทางเอาตพตกบเฟสของความถอางอง (Reference frequency) ทถกปอนเขาทางอนพต เมอระบบลอกความถหากมการเปลยน แปลงของสญญาณอนพตระบบจะสามารถรกษาสภาพลอกนนอย เพอควบคมมมเฟสใหคงท หรอเปนตวกาหนดคาความถในการทางาน โดยการนามาใชงานจะขนกบลกษณะของวงจรทจะนาไปควบคมวาเปนแบบใดรวมไปถงสงทตองการควบคม โครงสรางของเฟสลอกลปเปนระบบปอนกลบจะมตวกาเนดสญญาณควบคมดวยแรงดน (Voltage Controlled Oscillator) ทาหนาทปรบความถใหเปลยนไปตามสญญาณอางอง สวนประกอบทสาคญของเฟสลอกลปแสดงดงรป 2.23 สามารถแบงเปน 3 ภาคใหญ ดงน ภาคตรวจจบเฟส (Phase detector) หรอตวเปรยบเทยบสญญาณ (Phase comparator) ทาหนาทเปรยบเทยบความตางเฟสระหวางอนพต ( iϕ ) กบเฟสเอาตพต ( oϕ ) เพอใหกาเนดแรงดนคลาดเคลอน (Error voltage,uε ) ทางเอาตพต ดงสมการ (2.28)

30

Low-pass fiter

Phase detecter

Voltage control

oscillator

Input frequency

Output frequency( )tuε ou

;i if ϕ ;o of ϕ

รปท 2.23 แสดงบลอกไดอะแกรมเบองตนของเฟสลอกลป

( ) ( )i Ou t K Kε ϕ ϕ ϕϕ ϕ= − = ∆ (2.28) ภาคกรองความถตาผาน (Low - Pass Filter) หรอภาคกรองความถ (Loop Filter) ทาหนาทกรองสญญาณความถสงทปะปนมากบแรงดนคลาดเคลอนและปลอยใหสวนประกอบทางไฟตรงของแรงดนคลาดเคลอนผานไปออกไป ดงสมการ (2.29)

( ) ( )0

1 T

Ou u t u t dtTε ε= = ∫ (2.29)

ภาคกาเนดสญญาณควบคมดวยแรงดน (VCO) ความถทางเอาตพต ( Of ) ของภาคกาเนดสญญาณควบคมดวยแรงดนจะเปลยนไปตามแรงดนทางอนพต ( Ou ) เมอแรงดนทางอนพตเปลยนไปจะมผลทาใหความถและมมเฟสเปลยนแปลงตามไปดวย ดงสมการ (2.30)

O f Of K u= (2.30) ขนาดของแรงดนคลาดเคลอนทได จากภาคตรวจจบเฟสจะแปรผนเปนสดสวนโดยตรงกบผลตางของความถทางดานอนพตกบความถทางเอาตพต ( i Of f− ) และผลตางของมมเฟสทางอนพตกบมมเฟสทางเอาตพต ( i Oϕ ϕ− ) ขนาดของแรงดนคลาดเคลอนนจะไปควบคมการเปลยนแปลงความถทางเอาตพตของภาคกาเนดสญญาณควบคมดวยแรงดนไปในทศทางททาใหผลตางของความถมขนาดลดลง ในขณะทความถของภาคกาเนดสญญาณเมอวงจรยงไมมการลอกเรยกวาสภาวะทางานอสระ (Free running) ความถนจะถกกาหนดจากโครงสรางของวงจรภาคกาเนดสญญาณ เมอความถทางเอาตพตมคาเขาใกลความถทางอนพตมากขนเราเรยกสภาวะของลป (Loop) ขณะทภาคกาเนดสญญาณเรมเปลยนความถเขาหาความถอนพตเรยกวา สภาวะแคปเตอร (Capture State) และเมอความถทางเอาตพตมคาเทากบความถทางอนพต การเปลยนแปลงของความถทางเอาตพตกสนสดลงเรยกสภาวะนวา เฟสลอก (Phase Locked) ยานความถซงระบบลปสามารถตดตามการเปลยนแปลง

31

ของความถอนพตไดเรยกวา ยานลอก (Lock Range) สวนยานของความถซงระบบลปสามารถเขาถงสภาวะเฟสลอกได เรยกวา ยานแคปเตอร (Capture Range) ซงจะมยานแคบกวายานลอก สาหรบลกษณะสมบตทางไดนามกส (Dynamic Characteristics) ของเฟสลอกลปจะถกกาหนดโดยคณสมบตของตวกรองความถตาผานในขณะทอย ในสภาวะเฟสลอกความเรวในการตดตามการเปลยนแปลงของความถอนพตจะถกจากดโดยตวกรองความถ 2.10.1 แบบจาลองพนฐานทางคณตศาสตร แบบจาลองทางคณตศาสตรของเฟสลอกลปสามารถเขยนเปนบลอกไดอะแกรมไดดงรปท 2.26

( )F sKϕ VK( )sεϕ ( )u sε

( )o sϕ

( )i sω

( )i sϕ

( )fu s ( )o sω

รปท 2.24 แบบจาลองพนฐานทางคณตศาสตรของเฟสลอกลป

ตวกรองความถตาของวงจรกรองความถตาผานซงมความถตด (Cutoff Frequency) ตากวาสวนประกอบทางไฟสลบของแรงดนคลาดเคลอนจากภาคตรวจจบเฟสมาก ทาใหสวนประกอบทางไฟสลบไมสามารถสงผานได ดงนนแรงดนคลาดเคลอนทปรากฏในแผนผงทไมมสวนประกอบทางไฟสลบ ทาให สามารถหาความสมพนธระหวาง ( )sϕ และ ( )fu s ไดดงสมการ (2.31),(2.32)

( ) ( )O V fs K u sω = (2.31)

( ) ( )O Os s sω ϕ= (2.32)

แทนคา(2.32) ลงใน (2.31)

( ) ( )V fO

K u ss

sϕ = (2.33)

32

จากแบบจาลองในรปท 2.24 เขยนฟงกชนโอนยายของทแสดงความสมพนธระหวาง ( )i sϕ และ ( )O sϕ ไดดงสมการ (2.34)

( ) ( )( )

( )( )

VO

i V

K K F ssT s

s s K K F sϕ

ϕ

ϕϕ

= =+

(2.34)

2.10.2 ตวกรองความถตาผาน สาหรบตวกรองความถตาผานของเฟสลอกลปแบงไดดงน

ก. เฟสลอกลปทมตวกรองความถตา ผานแบบพาสซฟ (Passive)

( )fu s( )u sε

RC

รปท 2.25 วงจรกรองความถตาผานแบบพาสซฟ

วงจรกรองความถตาผานแบบพาสซฟในรปท 2.25 สามารถเขยนฟงกชนโอนยายไดดงสมการ (2.35)โดยมคาเวลาคงท 1/τ = RC และความถตด 1/ω = RC

( ) 1( )( ) 1ε τ

= =+

fu SF S

u S s (2.35)

ข. เฟสลอกลปทมตวกรองความถตาผานแบบพาสซฟลด-แลก (Passive lead-lag)

วงจรกรองความถตาผานแบบพาสซฟลด-แลกในรปท 2.26 สามารถเขยนฟงกชนโอนยายไดดงสมการ (2.36) โดยมคาเวลาคงท 1 11/τ = RC , 2 21/τ = R C และความถตด 1/ω = RC

2

1 2

( ) 1( )( ) ( ) 1ε

ττ τ

+= =

+ +fu S sF Su S s

(2.36)

33

( )u sε

1R

C

2R( )fu s

รปท 2.26 วงจรกรองความถตาผานแบบพาสซฟลด-แลก

ค. เฟสลอกลปทมตวกรองความถตาแบบแอคตฟ (Active)

วงจรกรองความถตาผานแบบแอคตฟ ในรปท 2.27 สามารถเขยนฟงกชนโอนยายไดดงสมการ (2.37)โดยมคาเวลาคงท 1 11/τ = RC , 2 21/τ = R C และความถตด 11/ω= RC

2

1

1( ) ττ+

=sF Ss

(2.37)

−

+

( )u sε ( )fu s

รปท 2.27 วงจรกรองความถตาผานแบบแอคตฟ

สาหรบวงจรกรองความถตาผานในงานวทยานพนธนใชวงจรกรองความถตาผานแบบพาสซฟลด-แลก โดยใชคาของตวตานทานและตวเกบประจตามคาแนะนาของรายละเอยดขอมลตาม ขอมลทางเทคนคของเฟสลอกลป MC14046B

34

2.10.3 ภาคกาเนดสญญาณควบคมดวยแรงดน โดยทวไปชวงการใชงานของความถเอาตพตจะตองมลกษณะทเปนเชงเสนและขณะทไมมสญญาณเขามาทอนพทของภาคกาเนดสญญาณควบคมดวยแรงดน ภาคกาเนดสญญาณจะสรางความถขนมาคาหนงหรอกาหนดใหมคาตาสดได ภาคกาเนดสญญาณควบคมดวยแรงดนทใชกบเฟสลอกลปมทงชนดทใหความถเอาทพทเปนรปคลนสเหลยมและรปคลนไซน คณสมบตพงประสงคของภาคกาเนดสญญาณควบคมดวยแรงดนทใชในเฟสลอกลปมดงน

ก. คณสมบตของการเปลยนแปลงแรงดนเปนความถเชงเสน ข. มชวงเวลาการใชงานทกวางหรอมคาอตราการขยายระหวางแรงดนกบความถทสง ค. มเสถยรภาพทางความถทด ง. ถาความถเอาทพทเปนรปคลนไซนควรจะเปนสญญาณทคงทสมาเสมอ

2.10.4 วงจรตรวจจบเฟส วงจรตรวจจบเฟสทใชเอกซคลซฟออร (Exclusive-OR, XOR) เมอสญญาณสเหลยมจากแหลงจายอางอง (Reference source) และสญญาณเอาตพตของภาคกาเนดสญญาณควบคมดวยแรงดนทจะตองการเปรยบเทยบเฟสจะถกปอนเขาทอนพต A และ B ของเอกซคลซฟออร ทาใหไดสญญาณพลสทางดานเอาตพต Q ซงจะมความกวางพลสแปรผนเปนสดสวนโดยตรงกบความตางเฟสระหวาง A และ B โดยมเงอนไขวาทงรปคลนของ A และ B จะตองมคาดวตไซเคลเทากบ 50 % จากรปท 2.29 ความตางเฟสระหวางสญญาณ A และ B จะไดเอาตพต Q จะมความถเปน 2 เทาของอนพต สาหรบคาเฉลยหรอแรงดนไฟตรงของแรงดนคลาดเคลอน ( εu ) ทเอาตพต Q หาไดจากสมการ (2.38)

A B Q

QAB

รปท 2.28 วงจรตรวจจบเฟสทใชเอกซคลซฟออร

0

1 pp

uu u d

εϕ

ε εθ ϕπ π

= = ⋅∫ (2.38)

; 0u Kε ϕ ε εϕ ϕ π= ≤ ≤ (2.39)

35

εϕpu

A

B

Q

θ0 π 2π 3π

รปท 2.29 สญญาณพลสทางดานอนพตและเอาตพต

; /puK V radϕ π= (2.40)

วงจรตรวจจบเฟสทใชเอกซคลซฟออร จะใชงานไดกตอเมอ ϕ มคาอยระหวาง 0 ถง π เทานนและยงไมสามารถชบอกใหเราไดทราบวา อนพตใดมเฟสนาและอนพตใดมเฟสตาม โดยเฉพาะอยางยง ถาความถทใชมคาดวตไซเคลนอยกวา 50% แลว วงจรตรวจจบเฟสชนดนจะใชไมไดเลย

uε

εϕ0 2

π π 32

π 2π

รปท 2.30 กราฟคณสมบตของวงจรตรวจจบเฟสแบบเอกซคลซฟ-ออร

36

2.10.5 วงจรตรวจจบเฟสแบบกระตนทขอบ (Edge-triggered phase detector) วงจรตรวจจบเฟสแบบนเปนการใชอารเอสฟลปฟลอปโดยการใชเกตนอร (NOR Gate ) เชน เบอร CD4001 ดงรปท 2.31 (ก) แรงดนเอาตพตของวงจรตรวจจบเฟสชนดนจะเปน “High" เมอ if นาหนา Of รปท 2.31 (ข) เปนความสมพนธของแรงดนเอาตพตกบความตางเฟสระหวาง if และ Of

สาหรบการตรวจจบเฟสแบบกระตนทขอบมขอไดเปรยบกวาวงจรทใชเอกซคลซฟออร เนองจากแรงดนไฟตรงเอาตพตมความเปนเชงเสน (Linear) ตลอดชวง 2π เรเดยน ในขณะทใชวงจรทตรวจจบเฟสแบบเอกซคลซฟออร มความเปนเชงเสนแคเพยงในชวง π เรเดยน

6

1

23

4

5

" "S input

" "R input

DCVout putif

of

(ก) การใชอารเอสฟลปฟลอปโดยการใชเกตนอร

if

of

out put

0 π 2π

(ข) ความสมพนธของแรงดนเอาตพตกบความตางเฟส

รปท 2.31 วงจรตรวจจบเฟสแบบกระตนทขอบ

37

0 π 2π 3π

DCout put V

CCV

รปท 2.32 ความสมพนธของแรงดนเอาตพตกบความตางเฟสระหวาง if และ Of

บทท 3 วธการดาเนนการวจย

ในการออกแบบและสรางเครองใหความรอนแบบเหนยวนาสาหรบในงานวจยนไดแบงออกเปน 3 สวน ซงประกอบไปดวย สวนตางดงน

1) ชดโหลดเรโซแนนซแบบขนาน 2) อนเวอรเตอรแหลงจายกระแสชนดเอชบรดจ 3) แหลงจายกาลงไฟฟาปรบคาไดชนดแหลงจายกระแส

ระบบทงหมดของชดตนแบบเครองใหความรอนแบบเหนยวนาชนดแหลงจายกระแสใชแรงดนดานเขา 3 เฟส 380 โวลต 50 เฮรตซ กาลงไฟฟาดานเขาสงสด 1 กโลวตต ดงแสดงในรปท 3.1 โดยจะใหความรอนแกชนงานทเปนแทงเหลก st 37 รปทรงกระบอก ขนาดเสนผานศนยกลาง 12 mmยาว 100 mm การทบขนรปความรอนอยระหวาง 800 – 1200oC 3.1 ชดโหลดเรโซแนนซแบบขนาน จากรปท 3.1จะเหนวาโหลดของชดตนแบบจะอยในรปเรโซแนนซแบบขนานซงจะประกอบดวย ขดลวดเหนยวนาขนานกบตวเกบประจ ทงนวงจรอนเวอรเตอรเปนแบบแหลงจายกระแส 3.1.1 การออกแบบและพนขดเหนยวนา ขณะทเครองกาลงใหความรอนกบชนงานอยขดลวดเหนยวนาความรอนจะตองระบายความรอนใหกบขดลวดเหนยวนาเพอรกษาใหอมพแดนซของขดลวดไมเปลยนแปลงขณะทางาน ในงานวจยนขดลวดเหนยวนาใชทอทองแดงทใชในระบบปรบอากาศใชนาระบายความรอนภายในทอและกระแสไฟฟาไหลทผวของทอทองแดง สาหรบชดตนแบบใชความถประมาณ 40 kHz ขณะทใหความรอน 1 kW ทแรงเคลอนไฟฟา 50 VDC กระแสไฟฟา 20 ADC คานวณหาพนทหนาตดของตวนาทอทองแดง ทหลกเลยงผลจากปรากฏการทางผว [4] โดยเลอกทอณหภม100oC ดงน ความลกของกระแสในผวทองแดง 75

f=

3

7540 10

=×

0.375= mm

39

fC

fLbL

bCdcV

OL

SR

IdcMax

40

2

2

6.35 0.71 26.74414.52

mmmmmmmm

==

=

เลอกทอขนาดเสนผานศนยกลางภายนอก ความหนาของทอทองแดง พนทหนาตดของทอ พนทหนาตดทองแดงทกระแสไหล ชนงานทนามาใหความรอนมเสนผานศนยกลาง 12 mm มความยาว 120 mm ใหความรอนกบชนงานยาว 100 mm จานวนรอบของทอทองแดง 12 รอบ ดงรป 3.2

wdcd

clcNwl

ทอทองแดง

ชนงาน

ฐานรองชนงาน

รปท 3.2 การออกแบบขดลวดเหนยวนา 3.1.2 การออกแบบตวเกบประจ ความถสาหรบโหลดเรโซแนนซในการออกแบบทความถประมาณ 40 kHz ขดลวดเหนยวนาทพนโดยใชทอทองแดงในหวขอ 3.1.1 เมอนาไปวดดวยเครองวดคาความเหนยวนา Agilent 4263B โดยเลอกใชความถทเครองวดมอย 10 kHz คาความเหนยวนาและคาความตานทานแบบอนกรมทงขณะทมชนงานและไมมชนงานไดคาดงน ขณะมชนงาน ความเหนยวนา ( )SWL 3.5 Hµ ความตานทาน ( )SWR 8.55 mΩ ตวประกอบคณภาพ sw

sw

LRω

=

102.88=

cd : เสนผานศนยกลางภายในขดทองแดง wd : เสนผานศนยกลางชนงาน cN : จานวนรอบของขด

wl : ความยาวของชนงาน cl : ความยาวของขดทองแดง

41

ขณะไมมชนงาน ความเหนยวนา ( )SL 3.2 Hµ ความตานทาน ( )SR 31.8 mΩ ตวประกอบคณภาพ s

s

LRω

=

25.29= คาความเหนยวนาแบบขนานขณะมชนงานมคา3.57 Hµ คานวณคาตวเกบประจเพอใหเกดเรโซแนนซดงน 1

2f

LCπ=

( )23 6

1

2 40 10 3.57 10C

π −=

× × × ×

4.43C Fµ≈ ในการออกแบบใช ตวเกบประจขนาด1.5µF ±10% 1 000 V จานวน 4 ตว ทาใหไดความถเรโซแนนซประมาณ 35kHz ความถของอนเวอรเตอรจะสงกวาเลกนอย ความหนาของทอทองแดงของขดเหนยวนายงคงใชงานได 3.2 อนเวอรเตอรแหลงจายกระแสชนดเอชบรดจ กระแสทไหลผานสวตชแตละตวจะมคาเทากบ 20 ADC เลอกใชไอจบทเบอร IRG4PH40UD ซงมพกดกระแสตรงตอเนอง 21A ทอณหภมทางาน 150oC สาหรบขนาดของแรงดนตกครอมสวตชสามารถพจารณาจากคาแรงดนทโหลดซงมคายอดประมาณ 55 2 V ซงไมเกนพกดของอปกรณทมพกดแรงดน1200 V และความถการสวตชสงสดไมเกน 200 kHz สวนไดโอดเลอกใช MUR3060 (International Rectifier) เปนไดโอดชนดฟนตวเรว (Fast Recovery Diode) ทมชวงเวลาฟนตว 60 nSสามารถทนกระแสได30 A พกดแรงดน600 V

tω

DCI1SWv

1SWi

รปท 3.3 รปคลนกระแสกบแรงดนทตวสวตช

42

3.2.1 การควบคมแบบมมเฟสคงท

รปท 3.4 แผนผงการควบคมมมเฟสคงท

จดการทางานทเหมาะสมทสดของอนเวอรเตอรแหลงจายกระแสเปนจดการทางานทสงกวาเรโซแนนซเลกนอยตลอดการทางาน เพอใหการทางานมความสมพนธระหวางไอจบทกบไดโอด เนองจากในระหวางกระบวนการใหความรอนจะเกดการเปลยนแปลงคณสมบตของชนงานอยตลอด ทาใหจดทางานของอนเวอรเตอรจะตองเปลยนไปจากทตงไวในตอนแรก หากไมเปลยนจดทางานขณะทสภาวะของโหลดเปลยนจนถงจดทกระแสลาหลงแรงดนเมอไอจบททางานอาจเกดแรงดนยอดแหลมทสวตช (Spike voltage) เปนเหตใหไอจบทเสยได ในงานวจยนใชวงจรควบคมมมเฟสคงท เปนไอซเฟสลอกลป เบอร4046 ในการควบคมมมเฟสของกระแสและแรงดนใหใหคงท โดยมการควบคมมมเฟสแบบนาหนาตลอดการยานทางาน ในรปท 3.4 ประกอบดวย วงจรวดแรงดนทโหลด, วงจรตรวจจบเฟส, วงจรกรองและวงจรกาเนดสญญาณควบคมดวยแรงดน สาหรบภาคตรวจจบเฟสใชอารเอสฟลปฟลอป (Phase Detect 2) และวงจรกาเนดสญญาณควบคมดวยแรงดน ทอยภายในไอซเฟสลอกลปเบอร 4046 3.2.2 วงจรวดแรงดนทโหลด การวดแรงดนทโหลดนนจาเปนตองใชตววดทใหผลตอบสนองทเรวและใหเฟสของสญญาณทวดไดกบเฟสแรงดนจรงมความแตกตางกนนอยทสด เนองจากแรงดนดงกลาวมความถทสง (ประมาณ 40 kHz) การวดแรงดนจะทาการแยกโดดสญญาณปรบระดบแรงดนใหเหมาะสมเขาสวงจรดฟเฟอรเรนเชยล แอมปลไฟเออร (Differential Amplifier) และสญญาณทไดนาไปผานวงจรตรวจจบแรงดนศนย (Zero Crossing) 3.2.3 วงจรตรวจจบความแตกตางเฟส สาหรบวงจรอนเวอรเตอรแบบแหลงจายกระแสนนสญญาณขบนาสวตซกบกระแสพลสจะมเฟสทตรงกน ดงนนเราสามารถใชสญญาณขบนาสวตชแทนกระแสพลส สญญาณกระแสกบแรงดนจะถกนามาเปรยบเทยบเพอตรวจจบความแตกตางเฟส โดยใช ตวตรวจจบความแตกตางเฟสท 2 ของไอซเฟสลอกลปเบอร 4046 สญญาณทางออกถกกรองดวยวงจร

43

กรองความถตาผานแบบ RC เพอใหไดคาแรงดนเฉลยแลวจงนาสญญาณทไดเขาภาคกาเนดสญญาณควบคมดวยแรงดน สวนสญญาณทางออกจะนาเขาวงจรขบนาไอจบทของอนเวอรเตอรตอไป 3.2.4 การขบนาไอจบท วงจรขบนาไอจบททใชในงานวจยนจะใชไอซ TLP250 เปนไอซทแยกสวนของสญญาณขบ (VG) กบสวนทใชขบสวตชดงวงจรในรปท 3.5 จะตอความตานทาน (RG) 50Ωอนกรม เขาขาเกตของไอจบท

1rT เพอควบคมเวลาในการสวตชของไอจบท (Switching Time) และตอ

ซเนอรไดโอดเขาทขาอมเตอรของไอจบทเพอสรางแรงดน -5 V ในชวงหยดทางานของสวตชสาหรบชวยใหสวตชหยดทางานเรวขนไอซจะทางานเมอไดรบสญญาณขบจากตวประมวลผลดจตอลเพอใหสวตช

1rT ตอวงจรเพอจายแรงดนเขาขาเกตกบขาอมเตอรของไอจบท โดยแรงดนตกครอมขาเกตและ

อมเตอรจะเปนดงสมการ (3.1) GE CC ZV V V= − (3.1)

เมอไมมสญญาณขบสวตช สวตช 2rT จะตอวงจรทาใหแรงดนตกครอมขาเกตและ

อมเตอรมคาเทากบ = −GE ZV V (3.2)

คของสญญาณขบนาไอจบททง 4 ตว ของวงจรอนเวอรเตอรแบบแหลงจายกระแส แสดงไวในรปท 3.7 และ 3.8 ในทนจะใช TLP250 จานวน 4 ตว สาหรบสญญาณขบนาจะตองมการเหลอม (Overlap) ของสญญาณขบนาเพอปองกนการเปดวงจรของแหลงจายกระแสซงจะเปนเหตใหไอจบทเสย การเหลอมของสญญาณทาไดโดยการใชวงจร RC ในการทาใหเกดการหนวงเวลาในชวงขอบขาลงของสญญาณนาฬกาและใช วงจรชมดตทรกเกอร (Schmitt – trigger) ในการตดสญญาณใหเปนพลสสเหลยม สาหรบขบสวตชของวงจรอนเวอรเตอรดงรปท 3.6

Ω1k

2rT

1rT Ω

รปท 3.5 วงจรขบสวตชไอจบท

44

dcIloadi

loadv

รปท 3.6 ตาแหนงการตอวงจรขบเกตอนเวอรเตอร

รปท 3.7 การสรางสญญาณเหลอม

+15

G4,G5

-5

Overlap Time

G3,G6

+15

-5

รปท 3.8 ลกษณะของสญญาณขบนาไอจบท

45

3.3 แหลงจายกาลงไฟฟา แหลงจายกาลงไฟฟาจะใชไฟฟาระบบ 3 เฟสผานหมอแปลงลดระดบผานชดไดโอดเรยงกระแสเปนแหลงจายไฟฟากระแสตรงและปรบกาลงไฟฟาดวยวงจรดซทดซคอนเวอรเตอรชนดทอนแรงดนทางออกจะตออนกรมกบตวเหนยวนาเปนแหลงจายกระแสใหกบวงจรอนเวอรเตอร 3.3.1 วงจรเรยงกระแส วงจรเรยงกระแสสาหรบงานวจยจะรบไฟฟาระบบ 3 เฟส 380 โวลต ผานหมอแปลงลดระดบ เขาสวงจรเรยงกระแสแบบไดโอด 6 ตวโดยแรงดนไฟฟาทเขาสวงจรเรยงกระแสสามารถหาแรงดนระหวางสายหลงจากผานหมอแปลงไดดงน

( )23

3

1 2 cos/ 3

π

π

ω ωπ −= ∫ab L LV V td t

3 2ab L LV Vπ −=

จากคาแรงดนไฟตรงทตองการคอ 70 dcV คานวณคา L LV − ไดดงน 70

3 2L LV π− =

51.8 L LV V− = ในทางปฏบตแรงดนจะตกครอมอยกบสวนตางๆ ของวงจร เชน แรงดนตกครอมไดโอด

ในชวงนากระแสประมาณ 0.7-1 โวลต ขนอยกบขนาดของไดโอด, ความตานทานขดลวดหมอแปลง, ความตานทานสายไฟและจดตอตางๆ เปนตน ดงนนจงจาเปนตองเผอคาแรงดนใหสงกวาคาทคานวณได จงเลอกใชแรงดนสามเฟสระหวางสายทมอยขนาด 55โวลต ดงนนจะไดคาแรงดนไฟตรงเทากบ 75 โวลตสาหรบการเลอกใชไดโอดในการจะขอกลาวในตอนทายของวงจรบกคอนเวอรเตอร

3.3.2วงจรบกคอนเวอรเตอร การปรบกาลงไฟฟาของเครองใหความรอนโดยการปรบดวตไซเคลของวงจรบกคอนเวอรเตอรรบไฟจากวงจรเรยงกระแส เพอการควบคมกาลงไดดและการควบคมทอนเวอรเตอรทไมผดพลาดจะตองใหกระเรยบจงตองใชความเหนยวนาสง ก. การออกแบบตวเหนยวนาความถสง ตวเหนยวนาสาหรบวงจรบกคอนเวอรเตอรโดยคานงทรายละเอยดดงน แรงดนไฟฟาระหวางสายทางเขา ( L LV − ) 55 V ความตานทานเทยบเทาของโหลด ( eR ) 2.5 Ω

46

ระลอกคลนของกระแสทางออก 5 % แรงดนทางเขาวงจรบก( sV ) 75 V ความถในการสวตช 28.5 kHz คานวณคาความเหนยวนา ดวตไซเคล 10 % แรงดนทางออก ( oV ) 7.5 V กระแสทางออก ( oI ) 3 A

3

(1 ).

7.5(1 0.1)0.15 28.5 101.58

o

s

V DLI f

mH

−=

∆

−=

× ×=

ดวตไซเคล 20 % แรงดนทางออก ( dcV ) 15 V กระแสทางออก ( dcI ) 6 A

3

(1 ).

15(1 0.2)0.3 28.5 101.4

o

s

V DLI f

mH

−=

∆

−=

× ×=

ดวตไซเคล 40 % แรงดนทางออก ( dcV ) 30 V กระแสทางออก ( dcI ) 12 A

3

(1 ).

30(1 0.4)0.6 28.5 101.05

o

s

V DLI f

mH

−=

∆

−=

× ×=

47

สาหรบอนเวอรเตอรแหลงจายกระแสตองการกระแสทคอนขางมความเรยบมากดงนนในงานวจยจงเลอกตวเหนยวนาทมคาความเหนยวนาเทากบ 1.6 mH ข. ออกแบบตวเกบประจ สาหรบตวเกบประจเพอลดระลอกคลนแรงดนโดยคานวณทดวตไซเคล 10 %

อตราระลอกคลนแรงดน 0.5%o

o

VV

⎛ ⎞∆=⎜ ⎟

⎝ ⎠

คาความเหนยวนา 1.6 mH= ความถในการสวตช 28.5 kHz=

( )

2

23 3

18

1 0.1

0.005 8 1.6 10 28.5 10

17.3 µ

−

⎛ ⎞∆ −=⎜ ⎟

⎝ ⎠−

=× × × × ×

=

o

o

V DV LCf

C

F

เลอกใชคาตวเกบประจขนาด 15 Fµ ค. การเลอกไดโอด การเลอกไดโอดของวงจรเรยงกระแสจะพจารณาจากกระแสทไหลผานทไหลผานและแรงดนทตกครอมไดโอด จาก O

s

V DV

=

กาหนดใหคาดวตไซเคลเทากบ 67 เปอรเซนต

75 0.67OV = × 50OV = V ดงนนจะไดแรงดนเอาทพตเทากบ 50 V กระแสไฟฟาผานตวเหนยวนาสงสด

( ),max

112L O

L

DI V

R Lf−⎡ ⎤

= +⎢ ⎥⎣ ⎦

48

( ),max 3 3

1 0.671502.5 2 1.6 10 28.5 10LI −

−⎡ ⎤= +⎢ ⎥× × × ×⎣ ⎦

,max1 0.3350

2.5 91.2LI⎡ ⎤= +⎢ ⎥⎣ ⎦

,max 20.2LI = A

ในกรณนจะหากระแสไฟฟาไหลผานตวเหนยวนาตาสดได

( ),min

112L O

L

DI V

R Lf−⎡ ⎤

= −⎢ ⎥⎣ ⎦

( ),min 3 3

1 0.671502.5 2 1.6 10 28.5 10LI −

−⎡ ⎤= −⎢ ⎥× × × ×⎣ ⎦

,min

1 0.33502.5 91.2LI⎡ ⎤= −⎢ ⎥⎣ ⎦

,min 19.82LI = A

dcI ทเฉลยออกมาเทากบ ,max ,min 20

2+

=L LI I A

กระแสเฉลยทไหลผานไดโอดเรยงกระแส จาก , 3

dcD avg

II =

,20 6.663D avgI = = A

การเลอกใชไดโอดจะตองสามารถทนกระแสไดมากกวา 6.66 แอมป พกดของแรงดนไมตากวา 300 V และเลอกใชตวสวตชของวงจรบกคอนเวอรเตอรทสามารถทนกระแสไดมากกวา 20 A และทนอณหภมไดสง เพราะสวตชงทเปนแบบฮารดสวตชง (Hard Switching) และจะมการสญเสยเนองจากอณหภมทสงขนและอาจทาใหประสทธภาพของสวตชทางานตากวาตอนทอณหภมปกตสาหรบในงานวจยใชไดโอดเรยงกระแสแบบบรดจเบอร GBPC3508 และสวตชของบกคอนเวอรเตอรใชไอจบทเบอร GCA100BA60 เนองจากอปกรณมอยในหองทดลอง

49

ง. วงจรปองกนกระแสสงเกน วงจรปองกนกระแสสงเกนเพอปองกนไมใหอปกรณและสวตชเสยหาย โดยตรวจจบกระแสทางออกของวงจรบกคอนเวอรเตอรดวยอปกรณฮอลลอลเมนต (Hall-element) ของ NANA รนLB-200 เนองจากมผลตอบสนองทรวดเรวและแยกโดดทางไฟฟาไปในตวเมอเปรยบเทยบกบการใชความตานทานในการตรวจจบกระแสจะไมมปญหาเรองสญญาณรบกวน ซงจะทาใหมการตงระดบกระแสไดแนนอนกวาและขอดอกประการหนงคอไมตองใชตวแยกโดดทางแสงซงใหผลตอบสนองชาแตฮอลลอลเมนตมราคาแพงกวาการใชความตานทานตรวจจบกระแส จากรปท 3.9 แรงดนทไดจากฮอลลอลเมนตจะนาไปเปรยบเทยบแรงดนทตงระดบของกระแสสงเกนไว ในสภาวะปกตแรงดนทไดจากฮอลลอลเมนตจะมคาตากวาแรงดนทตงไว VOC

จะมคาเปนลอจก 1 สงไปยงบอรดควบคม วงจรควบคมยงคงทางานไดตามปกต แตถามกระแสสงเกนแรงดนทไดจากฮอลลอลเมนตจะมคาสงกวาแรงดนทตงไว VOC จะมคาเทากบลอจก 0 สงไปทบอรดควบคมเพอทาการตดสญญาณขบเกตทชดบกคอนเวอรเตอร แสดงสภาวะผดปกตโดยหลอดไฟ (LED) จะสวางและเครองจะทางานตอไดเมอมการกดปม Reset ทบนบอรดจงทางานไดตามปกตสาหรบฮอลลอลเมนตทใชงานใชแรงดน ±Vcc เทากบ ±15 V แรงดนททางออกเทากบ 4 V ท 200 A กระแสสงสดสาหรบเครองตนแบบ 20 A ดงนนจงพนสายทฮอลลอลเมนต 10 รอบ แลวนาไปเปรยบเทยบกบแรงดนจากวงจรแบงแรงดนท 4 V เมอกระแสตากวา 20 A ทาง Voc จะเปนลอจก 1หากกระแสเกนจะมลอจกเปน 0 สญญาณจะถกสงเขาวงจรในรปท 3.10

comparator

Hall element

i

-VCC

VCC

LM311 VOC

รปท 3.9 วงจรปองกนกระแสสงเกน

จ. วงจรปรบคาดวตไซเคล การควบคมการปรบคาดวตไซเคลของวงจรบกคอนเวอรเตอรดวยวธพดบเบลยเอม (PWM) ใชวงจรอนาลอกในการสรางสญญาณพดบเบลยเอมจากการเปรยบ เทยบของสญญาณฟนเลอย (Saw tooth) ทความถประมาณ 28.5 kHz ถกสรางโดย TL494 เปรยบเทยบกบระดบสญญาณอางองซงใชเปนระดบของสญญาณไฟฟากระแสตรง 15 V (VDD) ตามรปแบบของ

50

สญญาณพดบเบลยเอมทตองการ การสรางสญญาณพดบเบลยเอม แบบอนาลอกแสดงดงรปท 3.10 ผลของการเปรยบเทยบสญญาณทาใหไดสญญาณ ตามรปท 3.11 จากวงจรรปท 3.10 เมอมสญญาณของวงจรปองกนกระแสสงเกน (VOC) มลอจก (Logic) “1” วงจรยงคงทางานเปนปกต แตเมอสญญาณมลอจก “0” จะตดการทางานของวงจรขบนาสวตช SW1 ทาใหวงจรบกคอนเวอรเตอรในรปท 3.1หยดทางานและในขณะเดยวกนจะมสญญาณไปสงใหกบสวตช SW2 ทางานลดวงจรทนทโดย SW2จะอนกรมกบตวตานทาน sR เพอจากดการไหลของกระแสทไหลผานในการออกแบบใหกระแสเปนศนยทเวลา50 (4 )mS τ โดยมตวเหนยวนาอนกรมอย 3.5mH จาก L

Rτ = ดงนนจงใชคาความตานทาน sR ในรปท 3.1 เทากบ 0.3Ω แตเนองจากใชงาน

เวลาสนจงเลอกกาลงไฟฟาท 30 W

VDD

A

B GateDrive

GateDrive

SW

SW“1”“0”

“1”“0”

Comparator

LM311 4081

4049

1

2VOC

TL494

รปท 3.10 วงจรพดบเบลยเอม

รปท 3.11 การสรางสญญาณพดบเบลยเอม

51

3.4 ฟลเตอร(Fillter ) สภาวะโหลดของอนเวอรเตอรแหลงจายกระแสจะเปลยนไปอยตลอดเวลาและจะเปลยนไปมากเมอขณะไมมโหลดหรอขณะปอนชนงานแมกระทงการลดวงจรทสวตชขณะเปลยนสภาวะเพอใหการจายกระแสไดอยางสมาเสมอและเพอใหเฟสลอกลปยงคงทางานไดไมผดพลาดจงใสตวเหนยวนากรองกระแส(Ld) อนกรมกบวงจรกอนเขาอนเวอรเตอรและเปนการปองกนฮารมอนกกบสระบบจงใสวงจรกรองความถตากอนวงจรบกคอนเวอรเตอร 3.4.1 การคานวณคาตวเหนยวนากรองกระแส ( )dL ในการคานวณตวเหนยวนากรองกระแสไดคานวณในสภาวะทใสชนงานหรอนาชนงานออกซงในขณะนเองกระแสจะเพมขนหรอลดลงอยางรวดเรวและมากกวาการเปลยนแปลงสภาวะของชนงานขณะใหความรอน ดงนนจงเลอกการคานวณคาของความเหนยวนาจากสภาวะทขณะใสชนงาน จากการวดคาความตานทานแบบขนานของขดเหนยวนาจากเครองวด Agilent รน 4263B โดยเลอกใชความถทเครองวดมอย 10kHz ไดคาความตานทานแบบขนานขณะไมมชนงานเทากบ 4 Ω ขณะมชนงานวดได 1.55 Ω ความถของอนเวอรเตอรประมาณ 40 kHz เวลาในครงคาบเทากบ 12.5µSคานวณทดวตไซเคล 67% แรงดนทคานวณไว 50 V เพอใหกระแสเรยบจงใหกระแสเปลยนแปลงทครงคาบเวลาประมาณ 20 % เพองายแกการคานวณโดยเทยบเทาวงจรอนเวอรเตอรทางานทเรโซแนนซละทงคาความตานทานแฝงทตวอปกรณ การคานวณหาคาตวเหนยวนาทาโดยเทยบเทาวงจรเปนวงจรกระแสตรงมโหลดเปนตวเหนยวนาอนกรมกบตวตานทาน ดงรปท 3.12 ขณะทไมมชนงานสวตชอยในตาแหนงท 1 เมอใสชนงานหมายถงสวตชเปลยนมาอยทตาแหนงท 2 คานวณหาคาตวเหนยวนากรองกระแสดงน

1

2

1R2R1.55Ω 4Ω

L

50V

รปท 3.12 วงจรเทยบเทาขดลวดเหนยวนาขณะไมมและมชนงาน

ขณะไมมชนงาน 11

; 0Vi tR

= >>

52

ขณะใสชนงาน

( )2

22

R tL Vi ceR

−= + (3.3)

ทเวลา 0t = , 1

ViR

= แทนคาใน(3.3) จะได 1 2

V VcR R

⎛ ⎞= −⎜ ⎟⎝ ⎠

แทนลงใน (3.3) จะได

( )2

22 2 1

R tLV V Vi eR R R

−⎛ ⎞= − −⎜ ⎟

⎝ ⎠ (3.4)

ใหกระแสเปลยนไปท 20 % ทเวลา 12.5 Sµ จะไดวา

( )2

2 12 2 1 1

R tLV V V Vi i eR R R R

−⎛ ⎞⎛ ⎞− = − − −⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠⎝ ⎠

( ) 61.55 12.5 1050 50 50 500.21.55 1.55 4 4

Le−×−⎛ ⎞⎛ ⎞= − − −⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠⎝ ⎠

1.9L mH= เลอกคาความเหนยวนาเทากบ 1.9mH 3.4.2 การคานวณคาตวกรองความถตาผาน เนองจากความถในการสวตชของวงจรบกคอนเวอรเตอรเทากบ 28.5 kHz จะทาใหมความถฮารมอนกความถสงยอนกลบจงไดใสตวกรองความถตาผานโดยเลอกความถตด ( Cf ) ทนอยกวาความถสวตชประมาณ 7 เทา ประมาณทความถ 4 kHz โดยเลอกคาตวเกบประจ 3 Fµ เพอคานวณ หาคาตวเหนยวนาดงน จาก 1

2Cf LCπ=

6 3 2

13 10 (2 4 10 )528

L

Hπ

µ

−=× × ×

=

เลอกคาตวเหนยวนา 500 Hµ=

53

3.5 การจาลองการทางานเครองตนแบบ หลงจากการออกแบบไดนาคาตางๆทไดออกแบบไวมาจาลองการทางานของเครองตนแบบชดใหความรอนแบบเหนยวนากอนสรางเครองจรงโดยใชโปรแกรมออแคด (Or CAD) จาลองการทางานของเครองตนแบบทความถ 37 kHz ในขณะของวงจรบกคอนเวอรเตอรทางานทดวตไซเคล 40% และ 67% โดยมวงจรการจาลองดงรปท 3.13 ในการจาลองใชคาความเหนยวนาและความตานทานของขด ลวดเหนยวนาและชนงานทไดจากการวดดวยเครองวดทความถ 10 kHz และมการปรบตงคาตางๆตามความเหมาะสม โดยแสดงผลการจาลองของแรงดนกบกระแสทโหลด ผลการจาลองของแรงดนกบกระแสทสวตชของอนเวอรเตอร ผลจากการจาลองแรงดนกบกระแสกอนเขาวงจรบกคอนเวอรเตอร ผลการจาลองแรงดนกบกระแสทางเขาเครองใหความรอนและผลการจาลองแรงดนกบกระแสทขด ลวดเหนยวนาดงรปท 3.14 – 3.23 ตามลาดบ เมอวเคราะหผลจากการจาลองทงทดวตไซเคล ทงสองคาพบวาสอดคลองกบทฤษฎและการออกแบบไว หลงจากนนไดสรางตนแบบชดใหความรอน หลงจากนนทาการทดสอบและปรบปรงแกไขและบนทกผลการทดลองดงบทท 4

C2

15u

R1

0.0318

V5TD = 0

TF = 200nPW = 13.5uPER = 27u

V1 = 0

TR = 100n

V2 = 1

L1

3.5uH

0

DbreakD10

DbreakD6

+-

+

-Sbreak

S4

C1

6u

V2

FREQ = 50

VAMPL = 45VOFF = 0

DbreakD2

+-

+

-Sbreak

S3

DbreakD11

C3

3u

DbreakD8

DbreakD5

R5 2

V3

FREQ = 50

VAMPL = 45VOFF = 0

DbreakD9

L2

1.6m

V1

FREQ = 50

VAMPL = 45VOFF = 0

R20.001

+-

+

-Sbreak

S6

R40.2

+ -

+ -

SbreakS7

L3

500uH

DbreakD7

R3

.001

DbreakD4

+-

+

-Sbreak

S2

DbreakD1

L5

1.9m

DbreakD3

V7TD = 0

TF = 100nPW = 14uPER = 35u

V1 = 0

TR = 100n

V2 = 1

V6

TD = 13.5u

TF = 200nPW = 13.5uPER = 27u

V1 = 0

TR = 100n

V2 = 1

รปท 3.13 วงจรการจาลองเครองใหความรอนขณะใสชนงาน

54

3.5.1 ผลการจาลองทดวตไซเคล 40 %

Time

19.80ms 19.82ms 19.84ms 19.86ms 19.88ms 19.90ms 19.92ms 19.94ms 19.96ms 19.98ms 20.00ms-I(R2) V(C1:1,L1:2)

-50.0

0

50.0

100.0

-99.3

รปท 3.14 รปคลนของกระแสกบแรงดนทโหลดเรโซแนนซท 40%D =

Time

19.8200ms 19.8400ms 19.8600ms 19.8800ms 19.9000ms 19.9200ms 19.9400ms 19.9600ms 19.9800ms19.8002ms 20.0000msI(D10) V(D10:1,L1:2)

-50.0

0

50.0

100.0

-97.4

รปท 3.15 กระแสกบแรงดนทอปกรณสวตชอนเวอรเตอรท 40%D =

v

v

i

i

55

Time

0s 2ms 4ms 6ms 8ms 10ms 12ms 14ms 16ms 18ms 20msI(L2) V(L5:1,D4:1)

-10

0

10

20

30

40

รปท 3.16 กระแสกบแรงดนททางออกของวงจรบกคอนเวอรเตอรท 40%D =

Time

0s 2ms 4ms 6ms 8ms 10ms 12ms 14ms 16ms 18ms 20msI(L3)

0A

2.0A

4.0A

6.0AV(L3:1,D6:1)

60V

70V

80V

SEL>>

รปท 3.17 กระแสกบแรงดนททางเขาวงจรบกคอนเวอรเตอรท 40%D =

v

v

i

i

56

Time

19.80ms 19.82ms 19.84ms 19.86ms 19.88ms 19.90ms 19.92ms 19.94ms 19.96ms 19.98ms 20.00msI(R1) V(C1:1,L1:2)

-150

-100

-50

-0

50

100

150

v

i

รปท 3.18 กระแสกบแรงดนทขดเหนยวนาท 40%D =

3.5.2 ผลการจาลองทดวตไซเคล 67 %

Time

19.80ms 19.82ms 19.84ms 19.86ms 19.88ms 19.90ms 19.92ms 19.94ms 19.96ms 19.98ms 20.00ms-I(R2) V(C1:1,L1:2)

-100

0

100

-187

196

รปท 3.19 รปคลนของกระแสกบแรงดนทโหลดเรโซแนนซท 67%D =

v

i

57

Time

19.80ms 19.82ms 19.84ms 19.86ms 19.88ms 19.90ms 19.92ms 19.94ms 19.96ms 19.98ms 20.00msI(D10) V(D10:1,L1:2)

-100

0

100

-187

196

รปท 3.20 กระแสกบแรงดนทอปกรณสวตชอนเวอรเตอรท 67%D =

Time

0s 2ms 4ms 6ms 8ms 10ms 12ms 14ms 16ms 18ms 20msI(L2) V(L5:1,S4:2)

0

10

20

30

40

50

รปท 3.21 กระแสกบแรงดนททางออกของวงจรบกคอนเวอรเตอรท 67%D =

v

v

i

i

58

Time

0s 2ms 4ms 6ms 8ms 10ms 12ms 14ms 16ms 18ms 20msI(L3) V(L3:1,D6:1)

0

20

40

60

80

รปท 3.22 กระแสกบแรงดนททางเขาวงจรบกคอนเวอรเตอรท 67%D =

Time

19.80ms 19.82ms 19.84ms 19.86ms 19.88ms 19.90ms 19.92ms 19.94ms 19.96ms 19.98ms 20.00msI(R1) V(C1:1,L1:2)

-200

-100

-0

100

200

-250

250

v

i

รปท 3.23 กระแสกบแรงดนทขดเหนยวนาท 67%D =

i

v

บทท 4 ผลการทดลอง

เมอทาการออกแบบและสรางตนแบบชดใหความรอนเพอทบขนรปโลหะไดทาการปรบตงคา

ตางๆใหเหมาะสมโดยทาการทดลองใหความรอนกบชนงานเปนเหลก st 37 รปทรงกระบอกขนาดเสนผานศนยกลาง 12 mm ยาว 120 mm ใหความรอนกบชนงานเปนระยะ 100 mm และบนทกผลการทดลองในขณะทมชนงานและไมมชนงาน สาหรบเครองมอวดทใชในการทดลองนประกอบดวย

• ดจตอลสตอเรจออสซลโลสโคป ยหอ Agilent Technologies รน DSO3062A • Current Probe ของ FLUKE รน 80i-1105 • HDS Infrared Thermometer • Power Quality Analyzer ของ FLUKE รน 434

4.1 การทดลองแหลงจายกาลงไฟฟา การทดลองแหลงจายกาลงไฟฟาปรบคาไดชนดแหลงจายกระแสในการทดลองจายแรงดนททางออกของหมอแปลงเทากบ 10 V โหลดเปนตวตานทานทมความตานทาน 5 Ω ตออนกรมกบตวเหนยวนาสาหรบกรองกระแส ( )dL 1.9mH โดยคาตวเหนยว ( )bL ของบกคอนเวอรเตอรมคา 1.6mH และตวเกบประจ ( )bC 15 µF วงจรกรองความถ ตาผานมตวเหนยวนา ( )fL 500 µH และตวเกบประจ ( )fC 3µF ดงรปท 4.1

500fL Hµ=

3fC Fµ=

1SW

1.6bL mH= 1.9=dL mH

15bC Fµ= 2SW

dcI

5OR = Ω

0.1sR = Ω

dcV

1D

2D

3D

4D

5D

6D

รปท 4.1 แหลงจายกาลงไฟฟาทจายโหลดความตานทาน

60

4.1.1 สญญาณขบนาไอจบทของวงจรบกคอนเวอรเตอร ในการออกแบบวงจรบกคอนเวอรเตอรทางานทความถ 28.5kHz โดยมการควบคมแบบ

พดบเบลยเอม ขณะทสวตชทางานจะมแรงดนประมาณ 15 V และชวงทสวตชหยดการทางานจะมแรงดนประมาณ -5 V การควบคมสญญาณขบนาจบทควบคมไดโดยการปรบคาดวตไซเคล รปท 4.2 และ 4.3 เปนรปคลนสญญาณขบนาไอจบทท 40 และ 60 % ตามลาดบ

รปท 4.2 สญญาณขบนาไอจบทดวตไซเคล 40%

รปท 4.3 สญญาณขบนาไอจบทดวตไซเคล 60%

61

4.1.2 แรงดนและกระแสตรงทางออกของวงจรบกคอนเวอรเตอร ในการทดลองแหลงจายกาลงไฟฟา รปคลนของกระแสและแรงดนทางออกของวงจรบกคอนเวอรเตอรตามรปท 4.1 ในการทดลองไดปรบดวตไซเคลไปท 40, 60, 80 และ100 เปอรเซนตตามลาดบ บนทกรปคลนของกระแสและแรงดนทางออกดงรปท 4.4 – 4.7

v

i

รปท 4.4 แรงดนและกระแสทออกจากวงจรบกคอนเวอรเตอรท 40%D = (Vdc: 5 V/DIV, Idc: 1 A/DIV)

v

i

รปท 4.5 แรงดนและกระแสทออกจากวงจรบกคอนเวอรเตอรท 60%D = (Vdc: 5 V/DIV, Idc: 1 A/DIV)

62

v

i

รปท 4.6 แรงดนและกระแสทออกจากวงจรบกคอนเวอรเตอรท 80%D = (Vdc: 5 V/DIV, Idc: 1A/DIV)

i

v

รปท 4.7 แรงดนและกระแสทออกจากวงจรบกคอนเวอรเตอรท 100%D = (Vdc: 5 V/DIV, Idc: 1A/DIV)

63

จากผลการทดลองของแหลงจายกาลงไฟฟาไดผลเปนทนาพอใจวงจรบกคอนเวอรเตอรสามารถปรบขนาดของกาลงทจายใหกบโหลดททกดวตไซเคลไดอยางตอเนอง รปคลนของกระแสทจายใหกบโหลดความตานทาน5Ω มความเรยบแมกระทงเปนทดวตไซเคลตาท 40 % กระแสยงคงมความเรยบสง 4.2 การทดลองเครองตนแบบชดใหความรอน หลงจากทดลองแหลงจายกาลงไฟฟาแลวนาเขาประกอบกบอนเวอรเตอรแบบแหลงจายกระแส ชนดเอชบรดจและชดโหลดเรโซแนนซปรบแตงชดควบคมมมเฟสคงท โดยทางานทตาแหนงกระแสนาหนาแรงดนเลกนอยประมาณ 30 องศา ทาการทดลองในขณะมชนงานและไมมชนงาน 4.2.1 สญญาณขบนาไอจบทของอนเวอรเตอร สญญาณขบเกตของไอจบททงสองชด (ชดละ 2 ตว) สญญาณจะตองมการเหลอมกนอยเลกนอย ในงานวจยนมการปรบแตงสญญาณใหมการเหลอมกนมคาประมาณ 1.5 µs สญญาณขณะทสวตชทางานจะมแรงดนประมาณ 15 V และขณะทสวตชหยดทางานจะมแรงดนประมาณ -5 V สญญาณขบนาไอจบทจะถกควบคมดวยการควบคมมมเฟสคงทจากการวดรปคลนสญญาณ ขบนาไอจบทไดดงรปท 4.8

รปท 4.8 สญญาณขบนาไอจบทของอนเวอรเตอร

64

4.2.2 การทดลองการทางานขณะมชนงาน การทดลองการทางานของเครองตนแบบโดยใสชนงานแลวปรบดวตไซเคลท 40 % และ67 % ซงมพกดประมาณ 1 kW โดยแรงดนทางออกของหมอแปลงระหวางสายมคา 55 V ในการทดลองใสชนงานทดสอบ ปรบสญญาณควบคมดวตไซเคลของวงจรบกคอนเวอร เตอร จายกาลงไฟฟาใหชดเหนยวนาความรอนบนทกรปคลนกระแสกบแรงดนในสวนตางๆ ก. การทดลองขณะมชนงานทดวตไซเคล 40 % ผลจากการทดลองมความสอดคลองกบทฤษฎและผลการจาลองการทางานในบทท 3 รปคลนแรงดนกบกระแสทโหลดเรโซแนนซขนานทบนทกไดดงรปท 4.9 อนเวอรเตอรทางานทความถ 38.46kHz เมอใหความรอนแกชนงานจนมอณหภมสงขนชดควบคมมมเฟสคงทจะปรบมมเฟสตามทปรบตงไวทประมาณ 30 องศา มผลใหความถของอนเวอรเตอรเปลยนตามสภาวะของโหลดทเปลยนแปลงไปตามความรอนดงรปท 4.10 อนเวอรเตอรทางานทความถ 37.88kHz และกระแสไฟตรงทออกจากวงจรบกจายใหกบอนเวอรเตอรมความเรยบสงดงรปท 4.11 สวนรปท 4.12 เปนรปคลนแรงดนและกระแสทขดลวดเหนยวนาซงเปนวงจรความตานทานอนกรมกบตวเหนยวนากระแสจะลาหลงแรงดนซงจะพบวากระแสทขดเหนยวนาสงมากนนหมายถงสามารถสรางความรอนใหกบชนงานไดมากนนเอง

v

i

รปท 4.9 กระแสกบแรงดนทโหลดเรโซแนนซขนานขณะใสชนงาน ท 40%D = ( :20 / , :23.4 / )v V DIV i A DIV

65

v

i

รปท 4.10 กระแสกบแรงดนทโหลดเรโซแนนซขนานขณะชนงานรอน ท 40%D = ( :20 / , :23.4 / )v V DIV i A DIV

v

i

รปท 4.11 แรงดนกบกระแสทบกคอนเวอรเตอรทจายใหกบอนเวอรเตอร ท 40%D = ( :50 / , :10 / )v V DIV i A DIV

66

v i

รปท 4.12 แรงดนกบกระแสทขดเหนยวนาท 40%D = ( :50 / , :10 / )v V DIV i A DIV

ข. การทดลองขณะมชนงานทดวตไซเคล 67 % ผลจากการทดลองใหความรอนแสดงในรปท 4.13 - 4.16 รปคลนทไดสอดคลองกบทางทฤษฎและผลการจาลองการทางานในบทท 3 ผลการทดลองคลายคลงกบผลการทดลองขณะมชนงานทดวตไซเคล 40 % แตจะมกาลงไฟฟาสงขนทาใหไดอณหภมเพมขนอยางรวดเรวดงแสดงในหวขอท 4.2.3

vi

รปท 4.13 กระแสกบแรงดนทโหลดเรโซแนนซขนานขณะใสชนงาน ท 67% D = ( :50 / , :23.4 / )v V DIV i A DIV

67

vi

รปท 4.14 กระแสกบแรงดนทโหลดเรโซแนนซขนานขณะชนงานรอน ท 67 %=D ( :50 / , :23.4 / )v V DIV i A DIV

v

i

รปท 4.15 แรงดนกบกระแสทบกคอนเวอรเตอรทจายใหกบอนเวอรเตอร ท 67 %D = ( :50 / , :10 / )v V DIV i A DIV

68

v i

รปท 4.16 แรงดนกบกระแสทขดเหนยวนาท 67 %D = ( :50 / , :10 / )v V DIV i A DIV

4.2.2 ผลทดลองการทางานขณะไมมชนงาน

i

v

รปท 4.17 กระแสกบแรงดนทโหลดเรโซแนนซขนานขณะไมมชนงาน ท 67 %=D ( :50 / , :23.4 / )v V DIV i A DIV การทดลองการทางานของเครองตนแบบโดยขณะไมใสชนงานและขณะนาชนงานออกเครองตนแบบยงคงทางานเปนปกต ในรปท 4.17 เปนรปคลนของแรงดนและกระแสขณะไมมชนงาน

69

ทดวตไซเคล 67 % พบวาขณะทไมมโหลดกระแสจะลดลงเนองจากเมอนาชนงานออกทาใหความตานทานทเทยบเทาวงจรขนานมคาสงขนซงเปนขอดของอนเวอรเตอรแหลงจายกระแส

4.2.3 ประสทธภาพและประสทธผลของเครองตนแบบ เมอชนงานมความรอนและความรอนเพมขนอยางรวดเรวสงผลตอคากระแสทเปลยนแปลงไปผวจยไดใชชนงานขนาดเดยวกนหลายๆชนสลบเปลยนเพอคงสภาพชนงานใหใกลเคยงกนในการเกบผลเพอคานวณหาประสทธภาพของเครองตนแบบสาหรบการทดลองวดคากาลงไฟฟาทางเขาและทางออกของเครองตนแบบโดยใชฟงกชนการคณของเครองวดดจตอลสตอเรจสโคป หาคากาลงไฟฟาเฉลยในสวนตางๆของเครองตนแบบและนาไปคานวณหาคาประสทธภาพทดวตไซเคล 67% ผลจากการวดไดคาตางๆดงน กาลงไฟฟาทางเขาชดเหนยวนาความรอน (

3inP

φ) 1063 วตต

กาลงไฟฟาทางเขาบกคอนเวอรเตอร (buckinP ) 982 วตต

กาลงไฟฟาทางเขาอนเวอรเตอร (invinP ) 908 วตต

กาลงไฟฟาทขดเหนยวนา ( coilP ) 895 วตต

ประสทธภาพโดยรวม ( tη ) 895 =84 %1063

ประสทธภาพของชดเหนยวนาความรอนทระหวางกาลงไฟฟาทางเขาชดเหนยวนากบกาลงไฟฟาทขดเหนยวนามคาสงมากเทากบ 84% ซงจะพบวามการสญเสยกาลงไฟฟาทชดแหลงจายกาลงไฟฟามากถง 155 วตต เนองจากการควบคมการสวตชของวงจรบกคอนเวอรเตอรเปนแบบฮารดสวตชทาใหเกดการสญเสยคอนขางสงทวงจรบกคอนเวอรเตอร ตารางท 4.1 เปนผลการทดสอบหาประสทธภาพของเครองตนแบบทดวตไซเคลตางๆ ตารางท 4.1 ประสทธภาพของเครองตนแบบทดวตไซเคลตางๆ

Duty (%) 3in

Pφ

(W) coilP (W) tη (%) 10 235 106 45 30 422 217 51 40 562 334 59 60 947 654 69 67 1063 895 84

70

สาหรบตารางท 4.2 เปนตารางผลการวดอณหภมของชนงานกบกระแสทางออกของวงจรอนเวอรเตอรทดวตไซเคล 67 % เมอนามาเขยนกราฟระหวางกระแสกบอณหภมไดดงรปท 4.18 พบวาความสมพนธสอดคลองกบทางทฤษฎทวาเมออณภมของชนงานสงขนคาความเหนยวนาและคาความตานทานเมอเทยบเทากบวงจรขนานจะลดลงมผลใหกระแสสงขนถงอณหภมกรคาความตานทานและคาความเหนยวนาในวงจรขนานจะเพมขนอยางรวดเรวจะมผลทาใหกระแสลดลงแตไมสามารถลดลงอยางทนทเนองจากคาความซบซาบแมเหลกลดลงเหลอเพยงหนงทาใหมผลกบความรอนลกทเพมขนตามสมการท (2.2) ทาใหกระแสคอยๆลดลง ในการทดลองวดอณหภมดวยเครองวดอนฟราเรด (Infrared) เมอทาวดอณหภมแบบตอเนองไมสามารถวดความรอนทผวงานดานขางไดดงนนจงวดอณหภมทดานบนผวงานซงสงผลใหผลการวดตากวาอณหภมทผวแตผลของกราฟยงคงสอดคลองกนกบทางทฤษฎ เมอกระแสลดลงสงผลใหอณหภมเพมขนชากวาในขณะทกระแสสง ตารางท 4.2 การวดอณหภมของชนงานกบกระแสทางออกของอนเวอรเตอร ทดวตไซเคล 67 % ทอณหภมหอง 30 oC

กระแส(A) อณหภม(oC)

16 232 18 302 19 402

19.5 464 19 672 16 790

13.5 843 12 873 10 843

8.5 929 8 926 7 924

71

0

5

10

15

20

25

0 200 400 600 800 1000

Temp(C)

Cur

rent

(A)

รปท 4.18 ความสมพนธของกระแสกบอณหภมของชนงาน

ตารางท 4.3 อณหภมของชนงานกบเวลาการใหความรอนทดวตไซเคลตางๆ (oC)

Duty Time(S)

30

40

60

67

0 30 30 30 30

10 116 118 168 257

20 143 177 271 357

30 176 227 330 598

40 248 298 414 689

50 287 388 510 762

60 356 423 582 793

70 381 450 641 827

80 451 492 760 854

72

ตารางท 4.3 อณหภมของชนงานกบเวลาการใหความรอนทดวตไซเคลตางๆ (oC) (ตอ)

Duty Time(S)

30

40

60

67

90 470 550 843 892

100 519 586 86 910

110 559 602 901 918

120 563 636 907 931

130 570 750 915 933

140 581 768 919 933

150 583 784 920 933

160 590 789 920 933

170 591 790 920 933

180 592 791 920 933

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 50 100 150 200

Time(s)

Tem

p(c)

duty Cycle 30%duty Cycle 40%duty Cycle 60%duty Cycle 67%

รปท 4.19 ความสมพนธของอณหภมกบเวลาการใหความรอนของชนงาน

73

ตารางท 4.3 เปนตารางผลการวดอณหภมกบเวลาทดวตไซเคลตางๆ เมอนาขอมลมาเขยนกราฟไดดงรปท 4.19 พบวาดวตไซเคลสงผลตออณหภมทเพมขนซงการปรบดวตไซเคลสอดคลองกบกาลงไฟฟาของเครองใหความรอนหมายถงขนาดของเครองใหความรอนสงผลตอความรวดเรวในการใหความรอน ตารางท 4.4 เปนการทดลองวดกาลงไฟฟาทขดลวดเหนยวนาเปรยบเทยบกบเวลาการใหความรอนทดวตไซเคล 67% พบวาเมอเรมใหความรอนกบชนงานกาลงไฟฟาจะเพมขนจนถงเวลาประมาณ 60 วนาท กาลงไฟฟาเรมลดลงอยางตอเนองดงกราฟรปท 4.20

ตารางท 4.4 ผลการวดกาลงไฟฟากบเวลาทดวตไซเคล 67%

Time(S) Power(W) Time(S) Power(W) 10 833 100 830 20 858 110 815 30 875 120 777 40 880 130 767 50 892 140 757 60 895 150 752 70 887 160 745 80 860 170 737 90 830 180 725

0100200300400500600700800900

1000

0 50 100 150 200

Time (s)

Pow

er (W

)

รปท 4.20 กราฟความสมพนธระหวางกาลงไฟฟากบเวลาการใหความรอน

74

รปท 4.21 การวดกาลงทางเขาดวยเครองวดเพาเวอรควอลต อนาไลเซอรของฟลค รน 434

รปท 4.22 การวดฮารมอนกทางเขาดวยเครองวดเพาเวอรควอลต อนาไลเซอรของฟลค รน 434

การทดลองวดอณหภมทผวของเครองตนแบบทดวตเคล 67% ทเวลา 1.5 นาท วดอณหภมเทากบ 919 oC ทาการวดกาลงทางเขาหมอแปลงโดยใชเครองวดเพาเวอรควอลต อนาไลเซอร(Power Quality Analyzer) ของฟลค (FLUKE) รน 434 ไดคาของกาลงไฟฟาทางเขา 1.3 kW เพาเวอรแฟคเตอร มคา 0.96 ดงรปท 4.21 สวนรปท 4.22 เปนการวดฮารมอนกทางเขาของกระแสมคา 23.6%

บทท 5 สรปผลและขอเสนอแนะ

5.1 สรปผลการวจย

เครองตนแบบชดเหนยวนาความรอนเพอทบขนรปโลหะดวยวงจรอนเวอรเตอรชนดเอชบรดจรวมกบวงจรดซทดซคอนเวอรเตอรชนดทอนแรงดนไดดาเนนงานสาเรจตรงตามวตถประสงคและขอบเขตของงานวจยทงการออกแบบและสรางเครองตนแบบทมพกดกาลงไมตากวา 1 kW จงขอสรปผลการวจยดงน

5.1.1 แหลงจายกาลงไฟฟา จากการทดลองใหความรอนกบชนงานทดวตไซเคลตางๆสามารถทาไดด แรงดนและ

กระแสทางออกคอนขางเรยบ สามารถหนวงเวลาการเปลยนแปลงของกระแสขณะใสชนงานหรอนาชนงานออกไดด ตวเหนยวนาของวงจรบกคอนเวอรเตอรใชแกนเฟอรไรตทาใหนาหนกนอยและตวเหนยวนากรองกระแสมคาตา โดยเครองตนแบบใช 1.6 mH และตวเหนยวนาของแหลงจายกระแสกอนเขาอนเวอรเตอรใช 1.9 mH จงกลาวไดวาวงจรดซทดซคอนเวอรเตอรสามารถใชเปนแหลงจายกระแสสาหรบเครองใหความรอนแบบเหนยวนาไดเปนอยางด

5.1.2 การทางานของอนเวอรเตอร จากผลการทดลองใหความรอนกบชนงานขนาดเสนผานศนยกลาง 12 mm ทความยาว

100 mm อนเวอรเตอรทางานทมมเฟสนาหนาเลกนอยทประมาณ 30 องศาไดคงทตลอดระยะเวลาการทางาน โดยทความถจะเปลยนแปลงไปตามสภาวะของโหลดมคาในชวง 37-40 kHz และอนเวอรเตอรยงคงทางานไดดทงในขณะทนาชนงานเขาและออกหรอไมมชนงาน การสญเสยทสวตชนอยอณหภมในการทางานไมสงมากเนองจากขณะสวตชทางานทแรงดนใกลศนย

5.1.3 ความสอดคลองกบวรรณกรรมและงานวจยทเกยวของ

การใหความรอนกบชนงานของเครองตนแบบมความสอดคลองกบวรรณกรรมและงานวจยทเกยวของพอสรปไดดงน ก. เมออณหภมของชนงานเปลยนไปสงผลใหคาความตานทานและคาความเหนยวนาของชนงานเปลยนแปลงไปทาใหความถทเรโซแนนซเปลยนไป ข. เมออณหภมของชนงานถงอณหภมกรคาความตานทานและคาความเหนยวนาจะลดลงอยางมากเมอเทยบเทาเปนวงจรขนานทาใหกระแสลดลง

76

ค. การทางานทความถสงกวาเรโซแนนซเลกนอยทาใหกระแสนาหนาแรงดนทาใหไมเกดสภาวะแรงดนยอดสง สรปการทางานของเครองตนแบบชดเหนยวนาความรอนเพอทบขนรปโลหะดวยอนเวอรเตอรเอชบรดจรวมกบดซทดซคอนเวอรเตอรชนดทอนแรงดน สามารถใหความรอนกบชนงานทดสอบไดเปนอยางด สามารถปรบกาลงไฟฟาในการใหความรอนไดตามตองการโดยการปรบดวตไซเคลของวงจรดซทดซคอนเวอรเตอร จากการทดลองประสทธภาพของเครองตนแบบเทากบ 84% ฮารมอนก ทางเขาของกระแส 23.6 % และตวประกอบกาลงไฟฟา 96% ทกาลงไฟฟาประมาณ 1 kW สามารถใหความรอนกบชนงานทใชทดสอบจากอณหภมหอง (30 oC) ถงทอณหภม 919 oC ภายในเวลา 1.5 นาท โดยทอนเวอรเตอรแหลงจายกระแสทางานทจดสงกวาความถเรโซแนนซประมาณ 37-40 kHz ตลอดยานการทางานและยงคงสามารถทางานไดอยางดทงในขณะทนาชนงานเขาและออกหรอไมมชนงาน 5.2 ขอเสนอแนะในการวจย เนองจากการทางานของวงจรบกคอนเวอรเตอรการสวตชเปนแบบฮารดสวตชทาใหมการสญเสยจากการสวตชและมความรอนสง ควรปรบปรงโดยใชหลกการสวตชทแรงดนศนย (ZVS) หรอกระแสศนย (ZCS) เพอลดการสญเสยจากการสวตชและความรอน เครองตนแบบมฮารมอนกทางเขาของกระแสท 23.6 % ควรออกแบบวงจรกรองเพอลดฮารมอนกทางเขาของกระแสของเครองตนแบบ

เอกสารอางอง

[1] Davies, J. and Simpson, P., Induction Heating Handbook, McGraw-Hill, London, 1979, pp. 1- 59. [2] Grajales, L., Analysis and Design of a 500 kHz Resonant Inverter for Induction Heating Applications, UMI Company, 1996, pp.1-17 [3] โชคชย ชนวฒนาประนธ, 2545, เครองใหความรอนแบบเหนยวนาโดยใชอนเวอรเตอรแหลงจาย กระแสครงบรดจสาหรบงานทบขนรปโลหะ, วทยานพนธปรญญาวศวกรรมศาสตรมหาบณฑต สาขาวชาวศวกรรมไฟฟา คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยเทคโนโลยพระจอมกลาธนบร, หนา 4-13. [4] วรเชษฐ ขนเงน, วฒพล ธาราธรเศรษฐ, อเลกทรอนกสกาลง, กรงเทพฯ: หจก.ว.เจ.พรนตง, 2547, หนา 353 – 375. [5] Shenkman, A., Axelrod, B. and Chudnovsky, V. “Assuring Continuous Input Current Using a Smoothing Reactor in a Thyristor Frequency Converter for Induction Metal Melting and Heating Applications”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 48, NO. 6, December 2001 [6] Khan, I., Tapson, J. and Vries, I.D., “An Induction Furnace Employing A 100 kHz Mosfet Full-Bridge Current-Source Load-Resonant Inverter”, Proceedings of IEEE Conference, International Symposium on Industrial Electronics, 1998, Vol. 2, pp. 530-534. [7] สายชล ชดเจอจน, เครองใหความรอนแบบเหนยวนาโดยใชอนเวอรเตอรแหลงจายกระแสเตม บรดจสาหรบงานทบขนรปโลหะ,วทยานพนธปรญญาวศวกรรมศาสตรมหาบณฑต สาขาวชา วศวกรรมไฟฟา คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยเทคโนโลยพระจอมเกลาธนบร, 2547 [8] Shenkman, A.L., Axelrod, B. and Chudnovsky, V. “A New Simplified Model of the Dynamics of the Current-Fed Parallel Resonant Inverter”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 47, NO. 2, April 2000

[9] มนตร ศรปรชญานนนท, เฟสลอกลป(Online), [ม.ป.ป.].Available: http://www.te.kmutnb.ac.th/ ~msn /223361han07.pdf (15 มถนายน 2551).

ภาคผนวก ก รปเครองตนแบบและรปผลการทดสอบ

รปท ก.1 เครองตนแบบชดเหนยวนาความรอน

รปท ก.2 ชนงานยงไมรบความรอน

79

รปท ก.3 ชนงานทกาลงถกใหความรอน

รปท ก.4 การวดอณหภมทชนงานทดวตไซเคล 67 % เปนเวลา 1.5 นาท

80

ภาคผนวก ข

งานประชมวชาการทเกยวของ

82

The 31st Electrical Engineering Conference (EECON-31) Srinakharinwirot University and Sripatum University481The 31st Electrical Engineering Conference (EECON-31)

PE-0

9

H-Bridge

An Induction Forging using H-Bridge Current-Fed Inverter Integrated with Buck Converter 1 1 2

1

39 . - . . 12110 : 0-2549-3554 E-mail: vichen_174@hotmail.com, E-mail: w_subsingha@hotmail.com

2

2 . 10120 : 0-2287-9629 E-mail: c_somchai2@hotmail.com

H-Bridge 1 kW 3

PWM 28.5 kHz 1.9 mH

38-40 kHz 12 . 100 .

800 º C 1.5

: , H-Bridge,

AbstractThis paper presented an Induction forging using H-Bridge

current-fed Inverter integrated with buck converter. The 1kW prototype with a 3 phase 50 Hz full-wave rectifier and Buck converter which controlled by 28.5 kHz of PWM and using the 1.9 mH inductor for filtering. It is current supply to the inverter which operates at 38-40 kHz The result of the testing of the prototype is to be able heating to the 12 mm of diameter and 100 mm of length of steel. The sample is heated from room temperature to 800oC within 1.5 minutes.

Keywords: Induction Heating, H-Bridge Current Inverter, Buck converter

1.

2

[1]

[2]

( )

The 31st Electrical Engineering Conference (EECON-31) Srinakharinwirot University and Sripatum University482The 31st Electrical Engineering Conference (EECON-31)

Dc varying supply Inverter Induction coil

and work-pieceFiltering

chock

Power Supply

2.

( )(1) ( )

( ) ( f )

(work coil)

f

(1)

3. 2

1

1

4.4.1

2 3

4.1.2 (Ld)

(Filter)

(Ld) 3 (Rp)[2]

4 13 L/R

146 s - 475 s Ld 1.9 mH

H-BridgeInverter

Currentsource

Induction coil and workpiece

InverterControl

Gate drivecircuitCurrent , Voltage

3- phaseinput

Controller and Limit

2

3Ø Input

R

LC

RESONANTLOAD

L f L bI d

L d

Cf

V d

D f C b

S A

SB1 2

3 4

S

S

S

S

3

4.1.2 H-Bridge 4

S1, S4

S2, S3 S2, S3 S1, S4

(2) RLC

4 H-Bridge

1 3 5( ) sin( ) sin(3 ) sin(5 ) ... i t I t I t I t

sin( ) nI n t ; n = (2)

I

DC Rp

Lp

C

dLS1 2S

SS3 4

The 31st Electrical Engineering Conference (EECON-31) Srinakharinwirot University and Sripatum University483The 31st Electrical Engineering Conference (EECON-31)

4.1.3

TLP250 (RG = 50 )

(Switching Time)

-5 V

4.24.2.1

(SA)mc14044

mc14044 SA

SB Ld

5

4.2.2

(Complementary Switch)

mc14046

5. 3

50 Hz 55 V 500 fL H ,

6

1.6bL mH , 1.9dL mH , 3fC F , C 15b F

ST 37 12 mm 100 mm IGBT G4A 100 BA60

28.5 kHz IGBT IRG4PH 40UD 38-40 kHz 7

20% 8

1 kW 9 10 1 kW

800oC 1.5 74 % 100 %

VDC

IDC

7 20 %( V: 10 V/DIV , I: 10 A/DIV)

8 20 %( V: 10 V/DIV, I: 9.36 A/DIV)

The 31st Electrical Engineering Conference (EECON-31) Srinakharinwirot University and Sripatum University484The 31st Electrical Engineering Conference (EECON-31)

VDC

IDC

9 1 kW (V: 50 V/DIV, I: 20 A/DIV)

ILoad VLoad

10 1 kW (V: 50 V/DIV, I: 46.80 A/DIV)

LineI

11 1 kW (I: 5 A/DIV)

12

6.

ZVS ZCS

ZCS

[1] Khan, J. Tapson, and I. de Vries, “An Induction Furnace Employ A 100 kHz Mosfet Full-Bridge Current-Source Load-Resonant Inverter”, Proceedings of IEEE Conference, ISIE, Vol. 2, 1998, pp. 530-534.

[2] S. Chudjuarjeen, C. Koompai, V. Monyakul, “Full-bridge current-fed inverter with automatic frequency control for forging application” TENCON 2004. 2004 IEEE Region 10 Conference Volume D, 21-24 Nov. 2004, pp.128 - 131 Vol. 4

[3] A. Shenkman, B. Axelrod, and Vadim Chudnovsky, “Assuring Continuous Input Current Using a Smoothing Reactor in a Thyristor Frequency Converter for Induction Metal Melting and Heating Applications” , IEEE Trans.on Industrial Electronics, Vol. 48, NO. 6, Dec 2001, pp. 1290 - 1292

. .. .

7

Northumbria University,UK

FACTS and applications . .

Induction Heating

87

266

ดซทดซ คอนเวอรเตอรแหลงจายกระแสสาหรบเครองใหความรอนแบบเหนยวนา DC-DC Converter Current Source for Induction Heating

วเชยร หทยรตนศร1 วนชย ทรพยสงห 2และ สายชล ชดเจอจน3

Vichian Hathairatsiri1 Wanchai Subsingha2 and Saichol Chudjuarjeen3

บทคดยอ

บทความนนาเสนอเครองใหความรอนแบบเหนยวนาโดยใชอนเวอรเตอรแหลงจายกระแสชนด

H-Bridge รวมกบวงจรดซทดซคอนเวอรเตอรแบบทอนแรงดนโดยมวตถประสงคเพอลดคาความ

เหน ยวนาและขนาดของตวเหน ยวนากรองกระแสและสามารถปรบชวงของกาลงไฟฟาไดมากข น

เครองตนแบบ ใชไฟ 3 เฟส ผานชดไดโอดเรยงกระแสแบบเตมคลนเขาวงจรดซทดซคอนเวอรเตอร

สวตชทความถ 28 kHz ตวเหนยวนากรองกระแสมคา 0.5 mH เปนแหลงจายกระแสเขาอนเวอรเตอร

ทางานทความถ 38-40 kHz จากผลการทดสอบสามารถใหความรอนกบชนงานรปทรงกระบอกขนาด

เสนผาศนยกลาง 12 มม. ยาว 100 มม.จากอณหภมหองถง 800 º C ไดภายในเวลา 2 นาท

ABSTRACT

This paper presented the Induction Heating system by using the H-Bridge current Inverter

with DC converter that integrated with buck converter for reducing the value of inductance of current

source and the size of inductor in the induction heating system. An increasing switching frequency of

buck converter from the 3 phase 50 Hz full-wave rectifier may minimize the inductance of the current

filter of the system. It will have the higher power utilization. Buck converter is switching at 28 kHz. The

inductance of current filter of current source inverter is 0.5 mH from the result of the experiment. The

induction heating system heats the steel which has 12 mm. of diameter and 100 mm in length. The

temperature of the sample was increased from room temperature to 800 º C within 2 minutes. The

system has been operated at a switching frequency varying between 38 kHz-40 kHz

1,2 ภาควชาวศวกรรมไฟฟา คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคลธญบร ปทมธาน 12110

Department of engineering, Faculty of Engineering, Rajamangala University of Technology Thanyaburi 1 E-mail address: vichen_174@hotmail.com 3 ภาควชาวศวกรรมไฟฟาและโทรคมนาคม คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคลกรงเทพ กรงเทพฯ 10120

Department of electrical and telecommunication engineering, Faculty of Engineering, Rajamangala University of Technology

Krungthep.

267

1. บทนา การใหความรอนแบบเหนยวนาเปนวธการใหความรอนกบวสดทเปนตวนาทางไฟฟา โดยไมมสวนใด

ของชนงานสมผสกนทางไฟฟา การใหความรอนแบบนความรอนถกสรางขนภายในชนงาน ทาใหประสทธภาพสง

สะอาด ควบคมไดงาย การใหความรอนแบบเหนยวนาในสภาวะปจจบนนเปนวธทเหมาะสมอยางยง ในดานการ

ผลตหรอเรองของ ฝน ควน ความรอนทถายเทใหกบโลก การสนเปลองพลงงานนอยกวาประกอบกบเทคโนโลย

ของสารกงตวนาทสงขน งานใหความรอนแบบเหนยวนาแตละงานใชหลกการเดยวกนเพยงแตสงทแตกตาง

ออกไปในดานของ ขนาดกาลงของเครองและความถ ความถในการใชงานสงผลตอความรอนลกจากผวของ

ชนงาน[1] ชนดของอนเวอรเตอรแหลงจายไฟฟาแบงไดเปน 2 ประเภท ไดแกอนเวอรเตอรแหลงจายแรงดน

(Voltage source inverter) และอนเวอรเตอรแหลงจายกระแส (Current source inverter) แหลงจายกระแสม

ขอดอยหลายประการ [2] แตปญหาของแหลงจายกระแสคอ คาของความเหนยวนาสง ทาใหตวเหนยวนามขนาด

ใหญแกนเหลกมนาหนกมากเคลอนยายลาบาก งานวจยนจงขอนาเสนอแหลงจายกระแสความเหนยวนาตา

สาหรบเครองใหความรอนแบบเหนยวนาดวยวงจรดซทดซคอนเวอรเตอรแบบทอนแรงดนตออนกรมอยกบตว

เหนยวนา ทาหนาทกรองกระแสทจายใหกบอนเวอรเตอรชนดแหลงจายกระแส โดยอาศยหลกการสวตชทความถ

สงทเหมาะสมทาใหคาบ เวลานอยลงจงสามารถลดคาความเหนยวนาและขนาดของตวเหนยวนากรองกระแสลง

ไดสงผลใหนาหนกเบาและราคาถกลง การปรบกาลงไฟฟาทาไดดวยการปรบดวตไซเคล(Duty cycle) ของวงจร

ดซทดซคอนเวอรเตอร

2. สวนประกอบของระบบ วงจรเครองใหความรอนแบบเหนยวนา แสดงดงรปท 1 ประกอบไปดวยวงจรเรยงกระแสแบบเตมคลน

วงจรกรองความถ วงจรดซทดซคอนเวอรเตอร อนเวอรเตอรแหลงจายกระแสชนด H-Bridgeและชดโหลดเร

โซแนนซแบบขนาน

รปท 1 วงจรกาลงเครองใหความรอนแบบเหนยวนา

3 Ø input

Id

Ld

DfR

LC

Lf

Cf

Lb

Cb

BUCK CONVERTER

SB

S1 S2

S3 S4

SA

268

LL

RL

LLC

RL

3. ดซทดซคอนเวอรเตอร

ในการปรบกาลงไฟฟาทจายใหกบโหลดทาไดโดยการปรบดวตไซเคลของวงจรดซทดซคอนเวอรเตอรใน

ขณะทปรบดวตไซเคล(D)คานอย เวลาหยดนากระแสของไอจบทจะนานทาใหตองใช ตวเหนยวนาททาหนาท

กรองกระแสจะตองมคามากเพอใหกระแสตอเนอง งานอตสาหกรรมทวไปการปรบคาเรกเลชน max min( / )d dV V ม

คาระหวาง 5-10 [3] การจดโหลดแบบเรโซแนนซคาคงทของเวลา(Time Constant , Lτ ) มคาเทากบ /b eL R

โดยท eR เปนคาความตานทานสมมลยของขดเหนยวนาและชนงานเพอใหกระแสเรยบคากระแสชวคร

(Transient Current) ในขณะไอจบทเปดวงจรตองมระยะเวลานานนนกคอคาความเหนยวนา bL มคามากนนเอง

เมอความถในการสวตชสงขนทาใหสามารถลดคา bL โดยคา bL ตาสดในโหมดของกระแสตอเนองหาไดจาก

สมการ (1)[4]

−

=min

(1 )

2e

s

D RL

f (1)

minL เปนคาความเหนยวนาตาสด sf เปนความถของการสวตช คาความเหนยวนาทเลอกใชมผลตอคาระรอกคลน (Ripple) ของกระแสเมอกาหนดอตราระรอกคลนสามรถคานวณคา bL ไดดงสมการ (2)[4]

Δ

−= min(1 )

o

s

DL V

I f (2)

4. โหลดเรโซแนนซ

ขดเหนยวนาและชนงานเมอมกระแสไหลผานขดเหนยวนาจะทาใหเกดเสนแรงแมเหลก 3 สวน คอ เสน

แรงแมเหลกคลองผานชนงาน คลองผานอากาศและคลองผานขดเหนยวนา เขยนเปนวงจรสมมลยไดดงรปท2 เสน

แรงแมเหลกทคลองผานชนงานและขดเหนยวนาทาใหเกดกระแสไหลวนทาใหเกดความรอนขนดงนนจะตองลดคา

ความตานทานของขดเหนยวนาใหตาและระบายความรอนใหกบขดเหนยวนาสวนใหญใชนาระบายความรอน การ

จดโหลดเรโซแนนฃ ในรปท 3 โดยการนาตวเกบประจมาตอขนานเขากบขดเหนยวนา โดยใชสมการท (3)-(4)

รปท 2 วงจรสมมลยของขดเหนยวนาและชนงาน รปท 3 วงจรเรโซแนนซแบบขนาด

ω

=L

QR

(3)

ω =1

rLC

(4)

269

5. อนเวอรเตอรเรโซแนนซแบบแหลงจายกระแส H-Bridge

แหลงจายกระแสไฟตรงสาหรบอนเวอรเตอรแหลงจายกระแสในทางปฏบตใชแหลงจายไฟฟากระแส

ตรงทปรบคาไดตออนกรมกบตวเหนยวนาทมคาความเหนยวนาสงเพอกรองกระแสใหเรยบ ในทนใชวงจรดซทดซ

คอนเวอรเตอรโดยใช dL ในรปท 1 เปนตวกรองกระแสเขยนเปนวงจรเทยบเคยงไดดงรปท 4 กระแสเปนรปคลน

สเหลยมโดยการทางานของสวตชเปนค ดงน

กระแสบวกสวตช S1, S4 ปดวงจร S2, S3 เปดวงจร

กระแสลบสวตช S2, S3 ปดวงจร S1, S4 เปดวงจร

เนองจากองคประกอบฮารโมนคสของกระแสรปสเเหลยมตามสมการ(5)ไหลผานโหลด RLC มผลใหแรงดนท

โหลดมลกษณะเกอบเปนรปไซน

รปท 4 วงจรเทยบเคยงอนเวอรเตอรเรโซแนนซแบบแหลงจายกระแส H-Bridge

1 3 5( ) sin( ) sin(3 ) sin(5 ) ... sin( )ni t I t I t I t I n tω ω ω ω= + + + + ; n = จานวนค (5)

รปท 5 รปคลนแรงดนและกระแส เมอสวตซทางานสงกวาเรโซแนนซ [5]

I

DC R

L

C

dL

S3 S4

S1 S2

270

การทางานของสวตชจะใหทางานทความถทสงกวาเรโซแนนซเลกนอยสงผลใหกระแสนาหนาแรงดนเพอใหการ

ทางานของสวตชเปนไปอยางตอเนองดงรปท 5 ในการปดกนแรงดนIGBT จะทาหนาทปดกนชวงแรงดนบวกและ

ไดโอดปดกนแรงดนลบ

6. ตวเหนยวนากรองกระแส (Ld)

จากรปท 4 การสรางแหลงจายกระแสสามารถสรางไดโดยการนาแหลงจายแรงดนทสามารถปรบคาได

ตออนกรมเขากบตวเหนยวนา เพอทาใหการเปลยนแปลงของกระแสมคานอยลง ตวเหนยวนาจงจาเปนตองมคา

สงเพอไมใหกระแสตกลงเปนศนย แตเนองแหลงจายแรงดนเปนวงจรคอนเวอรเตอรความถสงทผาน filter ทาให

แรงดนอนพทดานเขาของอนเวอรเตอรเรยบ จงสงผลใหขนาดและคาความเหนยวนา (Ld) กรองกระแสมคาลดลง

จากรปท 4 สามารถคานวณหาคาความตานทาน R ขนาน [1], [5] ของโหลดขณะชนงานมอณหภมหองไดมคา

เทากบ 4 โอหม จนถงอณหภมกร มคา 13 โอหม คานวณหาชวงเวลาหนวงของกระแสมคาเทากบ L/Rเลอก

ชวงเวลานอยทสดท 38 sμ - 125 sμ ซงจะไดคาความเหนยวนาของ Ld เทากบ 0.5 mH

7. วงจรขบสวตช

วงจรการขบสวตชของวงจรดซทดซคอนเวอรเตอรและอนเวอรเตอรเปนจะใชไอซ TLP250 เปนไอซทแยก

สวนของสญญาณขบกบสวนทใชขบสวตช โดยจะตอความตานทานอนกรม (RG = 50 โอหม) เขาขาเกตของไอจบ

ท เพอควบคมเวลาในการสวตช (Switching Time) ของไอจบทและตอซเนอรไดโอดเขาทขาอมเตอรของไอจบท

เพอสรางแรงดน -5 V ในชวงหยดทางานของสวตชสาหรบชวยใหสวตชหยดทางานเรวขน

8. วงจรควบคม 8.1 วงจรควบคมดซทดซคอนเวอรเตอร

การควบคมโดยใชหลกการของสวตชชงแบบพดบเบลยเอมโดยใชไฟตรงเปนสญญาณควบคมดวต

ไซเคลและสญญาณสามเหลยมเปนตวกาหนดความถของการสวตช ดงนนการปรบกาลงจงทาไดโดยปรบ

ขนาดดวตไซเคลของสญญาณนากระแสทไอจบทของวงจรดซทดซคอนเวอรเตอร (SA) สวนวงจรปองกนแรงดน

และกระแสเกนใชไอซ mc14044โดยทาการตรวจจบกระแสตรงทออกจากวงจรดซทดซคอนเวอรเตอร และแรงดน

ดานออกของอนเวอรเตอร เปรยบเทยบกบสญญาณอางอง ซงเมอสญญาณเกนจากสญญาณอางองทตงไวไอซ

mc14044 จะทาหนาทตดสญญาณเกตทไอจบท SA และใหสญญาณเกตทไอจบท SB นากระแสทนทเพอคาย

พลงงานจาก Ld

271

8.2 วงจรควบคมอนเวอรเตอรแหลงจายกระแส

สาหรบจดการทางานทเหมาะสมทสดของอนเวอรเตอรของแหลงจายกระแสคอจดทสงกวาเรโซแนนซ

เลกนอย ซงขณะใหความรอนชนงานทาใหจดเรโซแนนซของโหลดเปลยนแปลงอยตลอดเวลา ดงนนจง

จาเปนตองมวงจรควบคมมมเฟสคงท ซงในงานวจยนจงใชไอซเฟสลอคลป mc14046 ในการควบคมมมเฟสของ

กระแสและแรงดนใหใหคงท โดยมการควบคมมมเฟสแบบนาหนาตลอดการยานทางาน

9. ผลการทดสอบ

เครองใหความรอนแบบเหนยวนาทดสอบทแรงดนไฟตรงขนาด 40 V 3 phase 50 Hz,คาพารามตอรทใช

ในการทดลองเปนดงน 2.9fL mH= , 20bL mH= , 0.5dL mH= , 3fC Fμ= ,C 4.44b Fμ= ไอจบท

เบอร IRG4PH40UD ทดสอบโดยการใหความรอนกบชนงานขนาดเสนผานศนยกลาง 12 มลลเมตร ยาว 200 mm.

วงจรดซทดซคอนเวอรเตอรสวตชทความถ 28 kHz และอนเวอรเตอรทางานทความถ 40 kHz รปท 7 แสดง

รปคลนของกระแสและแรงดนทางออกของวงจรดซทดซคอนเวอรเตอร ทดวตไซเคล 20 % โดยมรปคลนของ

กระแสและแรงดนทางออกของอนเวอรเตอร ดงรปท 8 สวนแรงดนและกระแสทางออกของวงจรดซทดซคอนเวอร

เตอร แรงดนและกระแสทางออกของอนเวอรเตอรทดวตไซเคล 100 % แสดงไวในรปท 9 และ 10 ตามลาดบ

รปท 7 ผลการวดกระแสและแรงดนทางออกของวงจรดซทดซคอนเวอรเตอร ทดวตไซเคล 20 %

( I: 2.5 A/DIV, V: 10 V/DIV)

272

รปท 8 ผลการวดกระแสและแรงดนทางออกของอนเวอรเตอร ทดวตไซเคล 20 %

( I: 4.7 A/DIV, V: 2 V/DIV)

รปท 9 ผลการวดกระแสและแรงดนทางออกของวงจรดซทดซคอนเวอรเตอร ทดวตไซเคล 100 %

( I: 5 A/DIV, V: 20 V/DIV)

รปท 10 ผลการวดกระแสและแรงดนทางออกของอนเวอรเตอร ทดวตไซเคล100 %

( I: 23.5A/DIV, V: 20 V/DIV)

273

รปท 11 ผลการวดกระแสทางเขาทดวตไซเคล100 % (I: 5 A/DIV)

10. สรป

เครองใหความรอนแบบเหนยวนาทใชวงจรดซทดซคอนเวอรเตอรแบบทอนแรงดนสามารถลดคาความ

เหนยวนาและขนาดของตวเหนยวนาตวกรองกระแสลงไดและสามารถปรบกาลงไฟฟาไดดมระรอกคลนนอย

อนเวอรเตอรสามารถทางานใหความรอนกบชนงานไดอยางปกต หลกการนสามารถนาไปใชในอนเวอรเตอร

แหลงจายกระแสไดทาใหสามารถลดขนาดเครองใหความรอนแบบเหนยวนาชนดแหลงจายกระแสลงได สาหรบ

การสวตชทวงจรดซทดซคอนเวอรเตอรในพกดกาลงทมากขนควรมการควบคมการสวตชท ZVS หรอ ZCS เพอ

ลดการสญเสยทสวตช วงจรควบคมทอนเวอรเตอรสามารถควบคมการสวตชทางานทความถสงกวาจดเรโซแนนซ

เลกนอยตลอดยานการทางานได ทาใหไดการสวตชท ZCS ทาใหมการสญเสยนอย จงสามารถสวตชทความถสง

ได

11. กตตกรรมประกาศ

ผเขยนขอขอบคณ มหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคลธญบร และมหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคล

กรงเทพ ทเออเฟอสถานทและเครองมอวดในการทางานวจย

เอกสารอางอง

[1] Davies, J. and Simpson, P., 1979, Induction Heating Handbook, McGraw-Hill, London

[2] Khan, I., Tapson, J. and de Vries, I., 1998, An Induction Furnace Employ A 100 kHz Mosfet

Full-Bridge Current-Source Load-Resonant Inverter, Proceedings of IEEE Conference,

International Symposium on Industrial Electronics, Vol. 2, pp. 530-534.

[3] Arieh Shenkman, Boris Axelrod, and Vadim Chudnovsky, Assuring Continuous Input Current

274

Using a Smoothing Reactor in a Thyristor Frequency Converter for Induction Metal Melting and Heating Applications , IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 48, NO. 6,

December 2001

[4] รศ. ดร.วรเชษฐ ขนเงน , วฒพล ธาราธรเศรษฐ , อเลกทรอนคสกาลง , กรงเทพฯ: หจก.ว.เจ.พรนตง

,2547

[5] สายชล ชดเจอจน , เครองใหความรอนแบบเหนยวนาโดยใชอนเวอรเตอรแหลงจายกระแสเตม

บรดจสาหรบงานทบขนรปโลหะ,วทยานพนธปรญญาวศวกรรมศาสตรมหาบณฑต สาขาวชา

วศวกรรมไฟฟา คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยเทคโนโลยพระจอมเกลาธนบร, 2547

ประวตผเขยน

ชอ - นามสกล นายวเชยร หทยรตนศร

วน เดอน ปเกด 25 ตลาคม 2505 ทอย 1/174 หม 5 แขวงหนองบอน เขตประเวศ กรงเทพฯ 10250 ประวตการศกษา สาเรจการศกษาระดบวศวกรรมศาสตรบณฑต สาขาวศวกรรมไฟฟา

จากสถาบนเทคโนโลยราชมงคลธญบร เมอ พ.ศ.2544 ประวตการทางาน พ.ศ. 2532 - 2547 อาจารยประจาแผนกวชาเทคนคอตสาหกรรม

สถาบนเทคโนโลยราชมงคล วทยาเขตเทคนคกรงเทพฯ พ.ศ. 2547 - ปจจบน อาจารยประจาภาควชาวศวกรรมไฟฟาและโทรคมนาคม

มหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคลกรงเทพ ผลงานวจย วเชยร หทยรตนศร, วนชย ทรพยสงห และ สายชล ชดเจอจน,

“ดซทดซคอนเวอรเตอรแหลงจายกระแสสาหรบเครองใหความรอนแบบเหนยวนา” มหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคลวชาการ ครงท 1, โรงแรมธรรมรนทร ธนา จงหวดตรง, สงหาคม 2551 วเชยร หทยรตนศร, วนชย ทรพยสงห และ สายชล ชดเจอจน, “เครองเหนยวนาความรอนสาหรบงานทบขนรปโดยใชวงจรอนเวอรเตอรแหลงจายกระแสชนด H-Bridge รวมกบวงจรดซทดซคอนเวอรเตอรแบบทอนแรงดน” การประชมวชาการทางวศวกรรมไฟฟา ครงท 31 ณ รอแยลฮลส กอลฟ รสอรท แอนด สปา จงหวดนครนายก, ตลาคม 2551