Simple Quasi resonant Induction Heater Control by using Arduino UNO

โครงงานนี้เป็นอีก 1 แบบของวงจรอินดักชั่น ฮีตเตอร์ (Induction Heater : IH) แบบกึ่งเรโซแนนท์ (Quasi resonant) โดยการนำบอร์ดเก่าของตัวเตาแม่เหล็กไฟฟ้าแบบอินดักชั่นและตัวคอยล์สร้างสนามแม่เหล็ก (Working coil) มาทดลองควบคุมการทำงานใหม่ โดยใช้บอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ Arduino UNO เพื่อเป็นการเรียนรู้และศึกษาการทำงานของวงจรอินดักชั้นฮีตเตอร์ที่ใช้แรงดันอินพุตสูงขึ้น (ประมาณ 310VDC) ซึ่งจะใช้ลักษณะของการเขียนโปรแกรมควบคุมเบื้องต้นครับ

รูปที่ 1 เป็นลักษณะของบอร์ดควบคุมการทำงานของการขับกำลังให้กับตัวคอยล์สร้างสนามแม่เหล็กและเพาเวอร์ไอจีบีที รวมถึงคอยล์สร้างสนามแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งจะนำมาใช้ในการทดลองโครงงานนี้

รูปที่ 2 นำแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) มาทำส่วนของวงจรขับกำลังใหม่ โดยสร้างชุดขับกำลังใหม่ให้กับคอยล์เหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า ที่สามารถควบคุมด้วยไมโครคอนโทรลเลอร์ Arduino UNO ได้

รูปที่ 4 เมื่อประกอบวงจรส่วนต่างๆ เข้าด้วยกันสำหรับใช้ในการทดลอง โดยในการทดลองนี้จะใช้ฝาปิดกล่องขนมคุกกี้ที่เป็นโลหะเหล็กแบบวงกลม

รูปที่ 5 เป็นการทดลองนำฝาปิดกล่องขนมคุกกี้เช่นกัน ซึ่งเป็นโลหะเหล็กบาง แต่เป็นจะเป็นทรงสี่เหลี่ยม โดยจะมีการปรับแต่งวงจรเรโซแนนท์เล็กน้อย (LC resonance) เพื่อให้วงจรทำงานได้ดียิ่งขึ้น

รูปที่ 8 แสดงบอร์ดควบคุม Arduino UNO และวงจรขับขาเกต (Gate Drive) ด้วยออปโต้คัปเปิล TL250 ไปยังเพาเวอร์ไอจีบีที ทั้งนี้บอร์ดควบคุม Arduino UNO จะสามารถปรับค่าดิวตี้ไซเกิล (Duty cycle) ด้วยตัวต้านทานปรับค่า (VR) สำหรับทดลองได้ง่ายยิ่งขึ้น

รูปที่ 9 แสดงการใช้อุปกรณ์วัดสัญญาณจับกระแส (กรอบสีเหลือง) ที่ไหลผ่านตัวเหนี่ยวนำเรโซแนนท์ (L1) โดยการใช้ Closed Loop Current Sensor  

รูปที่ 10 เริ่มต้นการทดลองที่ 1 ด้วยแผ่นเหล็กโลหะแบบกว้างสี่เหลี่ยม และวัดสัญญาแรงดันที่ตกคร่อมขาคอลเล็กเตอร์และอีมิตเตอร์ (Vce) เทียบกับขาสัญญาณขับที่ขาเกต (Vge) เพื่อดูความสัมพันธ์ที่เกิดขึ้นและผลที่ได้ โดยใช้ไฟเลี้ยงในการทดลองวงจรที่ 40V/5A

/*
 Simple Quasi resonant Induction Heater Control by using Arduino UNO
 MCU : Arduino UNO
 Fs : 17kHz
 Vi : 40V/5A
 Duty cycle signal A0 : 0-50%
 Dev by : www.electronicsDNA.com
 Date : 12-2-2022  (V.0)
 */ 

#include <PWM.h>
int PWMset = 9;                    
int32_t frequency = 17000;   // Frequency (in Hz)   
void setup()
{  
  InitTimersSafe(); 
  pinMode(9,OUTPUT);    
  bool success = SetPinFrequencySafe(9,frequency);     
  if(success) {    
   digitalWrite(13,HIGH); 
   delay(1000);    
   digitalWrite(13,LOW);  
   delay(300);   
  }
}
void loop()
{
  PWMset = analogRead(A0); 
  pwmWrite(9,(PWMset/8));   
  delay(100);      
}

Download Library ——-> PWM.h

รูปที่ 11 แสดงการวัดสัญญาแรงดันที่ตกคร่อมขาคอลเล็กเตอร์และอีมิตเตอร์ (Vce) ที่ช่องสัญญาณ 1 (CH1 โดยตั้งค่า X10) เทียบกับขาสัญญาณขับที่ขาเกต (Vge) ที่ช่องสัญญาณ 2 (CH2 ในรูปข้างล่าง)

รูปที่ 12 แสดงลักษณะของการทดลองที่ 1 ทั้งหมดด้วยแผ่นเหล็กโลหะแบบกว้างทรงสี่เหลี่ยม รวมทั้งเครื่องมือที่ใช้ในการทดลองเบื้องต้น

รูปที่ 13 เป็นการทดลองที่ 2 โดยใช้กล่องเหล็กโลหะแบบกลม (กล่องขนมปัง) สำหรับนำมาทดลองการทำงานอีกแบบหนึ่งเพื่อสังเกตการทำงาน

รูปที่ 14 แสดงปริมาณกำลังไฟฟ้าที่เกิดขึ้นระหว่างทดลอง โดยแรงดันอินพุตจะอยู่ที่ประมาณ 35V และกระแสที่ 3A หรือใช้กำลังไฟฟ้าที่ 100 วัตต์

รูปที่ 15 เป็นลักษณะของสัญญาณกระแส IL1 (Working coil) ที่ช่องวัดสัญญาณ 1 (CH1) และสัญญาณขับขาเกตที่ช่องวัดสัญญาณที่ 2 (CH2) เพื่อใช้ในสังเกตลักษณะการทำงานของวงจรอินดักชั่น ฮีตเตอร์และปรับแต่งการทำงานให้วงจรทำงานได้ยิ่งขึ้น

รูปที่ 17 การทดลองที่ 3 แสดงสัญญาณที่ตำแหน่งขา C และขา E ของตัวเพาเวอร์ไอจีบีที ของช่องวัดสัญญาณ 1 (CH1) และสัญญาณขับขาเกตที่ช่องวัดสัญญาณที่ 2 (CH2) เช่นกันสำหรับใช้ในสังเกตลักษณะการทำงานของวงจรอินดักชั่น ฮีตเตอร์และปรับแต่งการทำงานให้วงจรทำงาน

รูปที่ 18 แสดงลักษณะการทดลองโครงงานทั้งหมด โดยจะเครื่องมือและอุปกรณ์ต่างๆ ทั่วไป ซึ่งจากการทดลองด้วยกล่องเหล็กโลหะแบบกลมนี้ ความร้อนที่เกิดขึ้นบริเวณก้นของกล่องจะสูงมากกว่า 80 องศาเซลเซียลในเวลาประมาณ 10 วินาที

สำหรับโครงงานนี้เป็นการทดลองวงจรอินดักชั่น ฮีตเตอร์ ที่ใช้แรงดันอินพุตที่สูงขึ้น ซึ่งก่อนหน้านี้ได้นำเสนอเนื้อหาไปบ้างแล้ว แต่ไฟเลี้ยงแรงดันอินพุตต่ำ ดังนั้นโครงงานนี้จึงเป็นอีกรูปแบบหนึ่งด้วยการนำอุปกรณ์จากบอร์ดเก่าๆ มาปรับปรุงใหม่ของวงจรอินดักชั่นฮีตเตอร์แบบกึ่งเรโซแนนท์ โดยให้สามารถเชื่อมต่อกับบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ Arduino UNO ได้ โดยเนื้อหาเพิ่มเติมเกี่ยวกับวงจรอินดักชั่นฮีตเตอร์นี้ ผู้อ่านสามารถเข้าไปดูได้ตามลิ้งก์ข้างล่างโครงงานนี้ครับ.

Reference

1. https://www.semanticscholar.org/paper/Induction-cooker-design-with-quasi-resonant-using-Tulu-Y%C4%B1ld%C4%B1r%C4%B1m/f95bae25e0c204892fadde87c78e8be01d2046ab
2. https://www.semanticscholar.org/paper/Optimisation-of-quasi-resonant-induction-cookers-Sheikhian-Kaminski/5650c04c7e10f908b04dd29c93b4bb768d267453
3. https://www.researchgate.net/figure/a-Sub-optimum-and-b-Optimum-operations-of-quasi-resonant-inverter_fig2_304707563
4. https://m.onsemi.cn/pub/Collateral/AND9166-D.PDF
5. https://www.semanticscholar.org/paper/New-control-method-to-increase-power-regulation-in-Crisafulli-Pastore/b2f925ae8d6c5de17b8ba839b0df4904bdfd9ee6
6. https://www.onsemi.cn/pub/Collateral/AN-9012JP.pdf
7. https://www.ti.com/cn/lit/an/sprabt2/sprabt2.pdf
8. https://www.nxp.com/docs/en/application-note/AN5030.pdf
9. http://pe.org.pl/articles/2016/3/24.pdf
10. https://www.researchgate.net/publication/316908002_Frequency_analysis_of_a_ZVS_parallel_quasi_resonant_inverter_for_a_solar_based_induction_heating_system