เตาแม่เหล็กไฟฟ้าที่ทันสมัย

การปรุงอาหารแบบเหนี่ยวนำได้เข้ามาแทนที่การทำความร้อนแบบเดิมโดยการถ่ายโอนพลังงานความร้อนไปที่ด้านล่างของกระทะ/หม้อผ่านตัวทำความร้อนไฟฟ้า ทำงานโดยอาศัยหลักการของกระแสเหนี่ยวนำที่ไหลเวียนอยู่ภายในก้นหม้อ เพื่อให้เตาแม่เหล็กไฟฟ้าทำงานได้อย่างถูกต้อง ก้นหม้อจะต้องอยู่ใกล้กับขดลวด และโลหะบางชนิดเท่านั้นที่เหมาะสม - โลหะที่มีการซึมผ่านของแม่เหล็กสูง

หลักการคล้ายกับหม้อแปลงไฟฟ้ากำลังทั่วไป โดยมีขดลวดเป็นตัวหลักและก้นหม้อเป็นตัวรอง มีความคล้ายคลึงกันหลายประการกับเทคโนโลยีการชาร์จแบบเหนี่ยวนำสมัยใหม่เช่นกัน

ความร้อนที่จำเป็นสำหรับการทำความร้อนหม้อมาจากกระแสน้ำวนที่ไหลเวียนในชั้นล่างสุดหรือโดยเฉพาะอย่างยิ่งจากความต้านทานที่นำเสนอโดยกระแสเหล่านี้ พลังงานประมาณ 90% จะถูกถ่ายโอนเพื่อสร้างความร้อนในหม้อผ่านการมีเพศสัมพันธ์แบบเหนี่ยวนำ เตาท็อปกระจกเรียบทั่วไปสามารถส่งพลังงานได้ประมาณ 70% เท่านั้น ส่งผลให้การสูญเสียลดลงสามเท่า

โทโพโลยีที่ใช้ไม่แตกต่างจากวงจรการเชื่อมมากนัก กำลังไฟ AC หลักได้รับการแก้ไขและขับเคลื่อนแหล่งจ่ายไฟเสริมขนาดเล็กสำหรับอินเวอร์เตอร์และตัวควบคุม อินเวอร์เตอร์จะเหนี่ยวนำกระแสให้เป็นขดลวดทองแดง ทำให้เกิดสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่เหนี่ยวนำให้เกิดกระแสไหลวนในหม้อ ความร้อนที่เกิดขึ้นจะเท่ากับความต้านทานของก้นหม้อคูณด้วยกำลังสองของกระแสเหนี่ยวนำ - ที่เรียกว่า "เอฟเฟ็กต์จูล"

รูปที่ 5: ภาพรวมของวงจรเตาเหนี่ยวนำทั่วไป

รูปแบบการควบคุมสำหรับเตาแม่เหล็กไฟฟ้ามักแตกต่างจากเครื่องเชื่อม โดยทั่วไปคือรูปแบบการเปลี่ยนแปลงความถี่ แม้ว่านี่จะเป็นวิธีการง่ายๆ แต่ความท้าทายอยู่ที่การควบคุมช่วงความถี่ที่ต้องการสำหรับกำลังเอาต์พุตในช่วงกว้าง

แม้แต่ที่ความถี่สูงที่จำเป็นสำหรับเตาแม่เหล็กไฟฟ้า วงจรคอนเวอร์เตอร์เรโซแนนซ์ก็ยังสามารถทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพสูง ดังนั้น ตัวแปลงวงจรเรโซแนนซ์จึงถูกนำมาใช้โดยทั่วไปสำหรับแอปพลิเคชันนี้ โดยเฉพาะตัวแปลงแบบฮาล์ฟบริดจ์แบบเรโซแนนซ์ (RHB) และอินเวอร์เตอร์แบบกึ่งเรโซแนนซ์ (QR) คอนเวอร์เตอร์ RHB ได้รับความนิยมเป็นพิเศษเนื่องจากสามารถรองรับโหลดได้หลากหลาย เทคนิคการควบคุมขั้นสูง เช่น การสลับกระแสเป็นศูนย์ (ZCS) หรือการสลับแรงดันไฟฟ้าเป็นศูนย์ (ZVS) โดยทั่วไปจะใช้เพื่อลดการสูญเสียพลังงานให้น้อยที่สุด

รูปที่ 6: ตัวอย่างทั่วไปของโทโพโลยี RHB และ QR

เนื่องจากความคุ้มทุนของโทโพโลยีนี้ จึงมักใช้ตัวแปลง QR ในการใช้งานเตาแม่เหล็กไฟฟ้าที่ใช้พลังงานต่ำ (ต่ำกว่า 2W กำลังสูงสุด)

เครื่องแปลงกระแสไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์และ UPS

เมื่อใช้โทโพโลยีฮาล์ฟบริดจ์ในแอปพลิเคชันที่ต้องการการสลับอย่างรวดเร็ว ต้องเผชิญกับความท้าทายมากมาย รวมถึง:

- สามารถรับแรงดันเอาต์พุตได้เพียงสองแรงดันเท่านั้น

- การสูญเสียจากการสับเปลี่ยนอาจมีนัยสำคัญ

- การขับประตูใหญ่อาจเป็นเรื่องท้าทาย

- ความเค้นของส่วนประกอบส่งผลต่อความน่าเชื่อถือ

- กระแสกระเพื่อมที่เพิ่มขึ้นและ EMI จำเป็นต้องมีการกรองอย่างกว้างขวาง

- เข้ากันไม่ได้กับบัส DC ไฟฟ้าแรงสูง

- การออกแบบการระบายความร้อนไม่ใช่เรื่องเล็กน้อย

ในแอปพลิเคชันสมัยใหม่ โทโพโลยี HB ถูกแทนที่ด้วยแอปพลิเคชันที่สำคัญ เช่น เครื่องสำรองไฟ (UPS) และอินเวอร์เตอร์พลังงานแสงอาทิตย์ (PV) โทโพโลยีสามระดับกำลังมีความโดดเด่นเรียกว่า I-Type และ T-Type

มีหลายแง่มุมที่ต้องได้รับการปรับปรุง รวมถึงการลดแรงดันไฟฟ้าทั่วทั้งอุปกรณ์ที่ใช้งานอยู่เพื่อลดการสูญเสีย ลดการบิดเบือนฮาร์มอนิก และอนุญาตให้ใช้ส่วนประกอบที่มีขนาดเล็กลงได้ สิ่งสำคัญที่สุดคือ โทโพโลยีเหล่านี้สามารถลดการสูญเสียการสลับได้อย่างมาก โดยให้ประสิทธิภาพสูงถึง 98% เมื่อทำการสลับที่ความถี่สูงตั้งแต่ 16 kHz ถึง 40 kHz

รูปที่ 7: โทโพโลยีตัวแปลง I-Type และ T-Type มีข้อดีหลายประการเมื่อเทียบกับ HB

มองไปสู่อนาคต

แม้ว่าบางคนอาจมองว่าเทคโนโลยี IGBT เป็น "แบบดั้งเดิม" แต่ก็ยังคงมีบทบาทสำคัญในการใช้งานกำลังไฟฟ้าสูง (แรงดันไฟฟ้า/กระแสไฟฟ้าสูง) เทคโนโลยี IGBT ยังคงพัฒนาอย่างต่อเนื่อง โดยมีค่า Vcesat ใกล้เคียง 1V และการปรับปรุงโครงสร้างทำให้ความหนาแน่นเพิ่มขึ้นและลดการสูญเสีย

เช่นเคย เมื่อใช้ IGBT นักออกแบบจะต้องมีความเข้าใจอย่างถ่องแท้ถึงข้อกำหนดของแอปพลิเคชันและเลือกโทโพโลยีที่เหมาะสมเพื่อให้แน่ใจว่าจะได้ผลลัพธ์และประสิทธิภาพที่เหมาะสมที่สุด