เทคโนโลยีการให้ความร้อนด้วยการเหนี่ยวนำความถี่สูง: หลักการ พารามิเตอร์ และการใช้งาน

เทคโนโลยีการให้ความร้อนด้วยการเหนี่ยวนำความถี่สูงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมการผลิตสมัยใหม่ เนื่องจากมีประสิทธิภาพสูง การส่งพลังงานที่เข้มข้น การให้ความร้อนแบบไม่สัมผัส และความง่ายในการบูรณาการกับระบบควบคุมอัตโนมัติ การใช้งานทั่วไป ได้แก่ การเชื่อมประสาน การอบชุบความร้อน (การชุบแข็งและการอบอ่อน) การปิดผนึก การให้ความร้อนผ่าน และการหลอมขนาดเล็ก

เครื่องทำความร้อนแบบเหนี่ยวนำความถี่สูงเป็นตัวอย่างหนึ่งของอุปกรณ์ทำความร้อนด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ประสิทธิภาพทางเทคนิคและผลลัพธ์ในทางปฏิบัติขึ้นอยู่กับความเข้าใจอย่างถ่องแท้และการประยุกต์ใช้หลักการทำงาน การกำหนดค่าระบบ การจับคู่โหลด และพารามิเตอร์กระบวนการอย่างถูกต้อง

1.0วิธีการทำงานของระบบทำความร้อนแบบเหนี่ยวนำความถี่สูง

การให้ความร้อนด้วยการเหนี่ยวนำความถี่สูงเป็นวิธีการให้ความร้อนที่อาศัยการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าและปรากฏการณ์ความร้อนจูล โดยหลักแล้วเป็นกระบวนการที่ไม่ต้องสัมผัสซึ่งแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานความร้อน กลไกการทำงานพื้นฐานสามารถสรุปได้เป็นขั้นตอนดังต่อไปนี้:

• การสร้างสนามแม่เหล็กไฟฟ้าสลับ: เมื่อกระแสไฟฟ้าสลับความถี่สูงไหลผ่านขดลวดเหนี่ยวนำ จะเกิดสนามแม่เหล็กสลับขึ้นรอบขดลวด
• การเหนี่ยวนำกระแสไหลวน: เมื่อวางชิ้นงานโลหะไว้ในสนามแม่เหล็กสลับ กระแสวงปิด—ที่เรียกว่ากระแสไหลวน (หรือเรียกอีกอย่างว่ากระแสฟูโกต์)—จะถูกเหนี่ยวนำขึ้นภายในวัสดุ
• อุณหภูมิสูงขึ้นเนื่องจากผลของจูล: เมื่อกระแสไฟฟ้าวนไหลภายในชิ้นงาน ความร้อนจะเกิดขึ้นเนื่องจากความต้านทานไฟฟ้าของโลหะ ตามกฎของจูล:

Q = I²RT

ความร้อนที่เกิดขึ้นภายในนี้ทำให้เกิดการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิอย่างรวดเร็วภายในชิ้นงาน

ในระหว่างกระบวนการให้ความร้อน ความต้านทานไฟฟ้าของโลหะส่วนใหญ่จะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิที่สูงขึ้น ซึ่งช่วยเสริมผลกระทบจากความร้อนจูลให้ดียิ่งขึ้น นี่เป็นหนึ่งในเหตุผลสำคัญที่ทำให้การให้ความร้อนด้วยการเหนี่ยวนำสามารถให้ประสิทธิภาพการให้ความร้อนสูงในเวลาอันสั้น

นอกจากนี้ ความต้านทานไฟฟ้าของชิ้นงานยังมีความสัมพันธ์กับค่าความต้านทานจำเพาะของวัสดุ (ρ) ความยาวเส้นทางกระแสไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพ (L) และพื้นที่หน้าตัด (S) ตามความสัมพันธ์ดังต่อไปนี้:

R = ρL / S

ด้วยเหตุนี้ ชิ้นงานที่มีวัสดุ รูปทรง และขนาดแตกต่างกัน จึงอาจแสดงประสิทธิภาพการให้ความร้อนที่แตกต่างกันอย่างมากภายใต้สภาวะการเหนี่ยวนำเดียวกัน

2.0พารามิเตอร์สำคัญของเครื่องทำความร้อนแบบเหนี่ยวนำความถี่สูง

โดยทั่วไป การกำหนดค่าประสิทธิภาพของเครื่องทำความร้อนแบบเหนี่ยวนำความถี่สูงจะเน้นไปที่กำลังเอาต์พุต ช่วงความถี่ในการทำงาน ประเภทแหล่งจ่ายไฟ และความสามารถในการปรับตัวเข้ากับโหลด ในการใช้งานจริง ควรประเมินปัจจัยต่อไปนี้อย่างรอบด้าน

2.1กำลังไฟฟ้าขาออก

กำลังเอาต์พุตเป็นตัวกำหนดปริมาณพลังงานที่ถ่ายโอนไปยังชิ้นงานต่อหน่วยเวลา และเป็นพารามิเตอร์สำคัญที่มีผลต่ออัตราการให้ความร้อนและขนาดชิ้นงานที่อนุญาต โดยทั่วไป:

• ชิ้นงานขนาดเล็กที่มีผนังบาง หรือการใช้งานที่ต้องการความร้อนเฉพาะจุด มักต้องการกำลังไฟค่อนข้างต่ำ
• ชิ้นงานขนาดใหญ่ กระบวนการให้ความร้อนผ่านรูพรุน หรือการใช้งานที่เกี่ยวข้องกับการหลอมละลาย จำเป็นต้องใช้กำลังไฟฟ้าสูงกว่ามาก

2.2เงื่อนไขการจ่ายไฟ

ขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อมการใช้งาน อาจใช้แหล่งจ่ายไฟแบบเฟสเดียวหรือสามเฟสก็ได้ สำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมอย่างต่อเนื่อง โดยทั่วไปจะเลือกใช้แหล่งจ่ายไฟแบบสามเฟสเพื่อให้มั่นใจได้ว่ากำลังไฟฟ้าที่ส่งออกมีความเสถียรและสม่ำเสมอกว่า

2.3คุณลักษณะของวัสดุชิ้นงาน

• วัสดุแม่เหล็กจะมีค่าสภาพซึมผ่านของแม่เหล็กสูงขึ้นในช่วงเริ่มต้นของการให้ความร้อน ส่งผลให้ประสิทธิภาพการเหนี่ยวนำค่อนข้างสูง
• วัสดุที่ไม่ใช่แม่เหล็ก เช่น ทองแดงและอะลูมิเนียม อาศัยการให้ความร้อนจากกระแสไหลวนเป็นหลัก และโดยปกติแล้วต้องใช้การออกแบบขดลวดที่เหมาะสมยิ่งขึ้นเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการเชื่อมต่อ

3.0ช่วงความถี่และระดับความร้อน (ผลกระทบต่อผิวหนัง)

ในการให้ความร้อนด้วยการเหนี่ยวนำความถี่สูง การเลือกความถี่ในการทำงานจะกำหนดความลึกของการให้ความร้อนและการกระจายพลังงานโดยตรง พฤติกรรมนี้ถูกควบคุมโดยปรากฏการณ์ผิวโลหะเป็นหลัก

เมื่อความถี่ของกระแสสลับเพิ่มขึ้น กระแสเหนี่ยวนำมักจะกระจุกตัวอยู่ใกล้ผิวของชิ้นงานโลหะ และความลึกในการแทรกซึมภายในวัสดุจะลดลง ซึ่งนำไปสู่กฎทางวิศวกรรมเชิงปฏิบัติ ดังต่อไปนี้:

• ความถี่ที่สูงขึ้นจะส่งผลให้ชั้นความร้อนตื้นขึ้น และเหมาะสมกว่าสำหรับการให้ความร้อนที่พื้นผิว การเพิ่มความแข็งของพื้นผิว และการให้ความร้อนเฉพาะจุด
• ความถี่ต่ำช่วยให้ความร้อนแทรกซึมได้ลึกกว่า ทำให้เหมาะสำหรับการให้ความร้อนผ่านเนื้อวัสดุหรือชิ้นส่วนที่มีผนังหนามากกว่า

ในการใช้งานจริง การเลือกความถี่ต้องได้รับการประเมินควบคู่ไปกับเส้นผ่านศูนย์กลางของชิ้นงาน ความหนาของผนัง และวัตถุประสงค์ของกระบวนการ ตัวอย่างเช่น ในการให้ความร้อนที่ปลายท่อ เช่น ในขั้นตอนการทำความร้อนของ... เครื่องปิดปลายท่อ—บ่อยครั้งที่จำเป็นต้องทำให้ปลายท่อมีอุณหภูมิสูงขึ้นอย่างรวดเร็ว ในขณะเดียวกันก็ต้องลดการกระจายความร้อนไปตามตัวท่อให้น้อยที่สุด ในกรณีเช่นนี้ ความถี่ในการทำงานที่ค่อนข้างสูงจึงเป็นที่ต้องการ เพื่อให้เกิดการกระจายพลังงานเฉพาะจุด

ควรทราบว่าความถี่ในการทำงานจริงของระบบทำความร้อนแบบเหนี่ยวนำไม่ใช่ค่าคงที่ค่าเดียว แต่จะถูกกำหนดร่วมกันโดยลักษณะของแหล่งจ่ายไฟ พารามิเตอร์ของขดลวด และสภาวะโหลด โดยมีความสัมพันธ์แบบไดนามิกระหว่างความถี่และกำลังไฟฟ้าที่ส่งออก

4.0อิทธิพลของการเปลี่ยนแปลงสภาพซึมผ่านของแม่เหล็กและจุดคิวรี

สำหรับโลหะเฟอร์โรแมกเนติก เช่น วัสดุที่มีเหล็กเป็นองค์ประกอบหลัก กระบวนการให้ความร้อนด้วยการเหนี่ยวนำจะได้รับอิทธิพลไม่เพียงแค่จากการเปลี่ยนแปลงของความต้านทานไฟฟ้าเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการเปลี่ยนแปลงอย่างมากของสภาพซึมผ่านทางแม่เหล็กตามอุณหภูมิด้วย

ที่อุณหภูมิห้องและในช่วงอุณหภูมิต่ำถึงปานกลาง วัสดุแม่เหล็กจะมีค่าสภาพซึมผ่านของแม่เหล็กสูง ทำให้สามารถสร้างสนามแม่เหล็กสลับภายในชิ้นงานได้ง่ายขึ้น ส่งผลให้ประสิทธิภาพการให้ความร้อนด้วยการเหนี่ยวนำและอัตราการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิค่อนข้างสูงในช่วงเริ่มต้นของการให้ความร้อน อย่างไรก็ตาม เมื่ออุณหภูมิของวัสดุเข้าใกล้จุดคิวรี ความเป็นแม่เหล็กถาวรจะค่อยๆ อ่อนลงและในที่สุดจะเปลี่ยนไปเป็นสถานะพาราแมกเนติก ทำให้ค่าสภาพซึมผ่านของแม่เหล็กลดลงอย่างรวดเร็ว

การเปลี่ยนแปลงนี้ส่งผลให้เกิดผลลัพธ์ทางวิศวกรรมในทางปฏิบัติหลายประการ:

• อุณหภูมิสูงขึ้นอย่างรวดเร็วในช่วงเริ่มต้นของการให้ความร้อน
• ประสิทธิภาพการให้ความร้อนลดลงและอุณหภูมิเพิ่มขึ้นช้าลงเมื่อเข้าใกล้จุดคิวรี
• อาจต้องใช้กำลังไฟฟ้าขาเข้าที่สูงขึ้นเพื่อรักษาระดับความร้อนที่ต้องการ

ในการใช้งานที่เกี่ยวข้องกับท่อเหล็ก ท่อโครงสร้าง หรือกระบวนการขึ้นรูปปลายท่อ ซึ่งรวมถึงขั้นตอนการอุ่นก่อนและการขึ้นรูปด้วยความร้อน เครื่องปิดปลายท่อ—การทำความเข้าใจการเปลี่ยนแปลงของค่าสภาพซึมผ่านทางแม่เหล็กมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการควบคุมความร้อนให้คงที่ การควบคุมกำลังไฟฟ้าที่เหมาะสมและการออกแบบขดลวดที่ได้รับการปรับให้เหมาะสมจะช่วยให้มั่นใจได้ถึงพฤติกรรมการให้ความร้อนที่ควบคุมได้และสม่ำเสมอในช่วงอุณหภูมิที่สมบัติทางแม่เหล็กเปลี่ยนแปลงไป

5.0การออกแบบขดลวดเหนี่ยวนำและการจับคู่โหลด

ขดลวดเหนี่ยวนำเป็นส่วนประกอบหลักของระบบทำความร้อนแบบเหนี่ยวนำความถี่สูง รูปทรงเรขาคณิต คุณลักษณะทางไฟฟ้า และระดับความเหมาะสมกับชิ้นงาน ล้วนเป็นตัวกำหนดประสิทธิภาพการทำความร้อนและความเสถียรของระบบโดยตรง

5.1วัสดุและโครงสร้างของขดลวด

• โดยทั่วไปมักใช้ท่อทองแดงหรือตัวนำทองแดงแบบแข็ง
• พื้นที่หน้าตัดที่เหมาะสมจะช่วยลดการสูญเสียในขดลวดและเพิ่มความสามารถในการนำกระแสไฟฟ้า
• โดยทั่วไปแล้วจำเป็นต้องมีช่องระบายความร้อนภายในเพื่อควบคุมอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นขณะทำงาน

5.2ช่องว่างระหว่างขดลวดและชิ้นงาน

• โดยทั่วไปแล้ว ช่องว่างในการทำงานปกติจะอยู่ในช่วง 5–15 มม.
• ช่องว่างที่มากเกินไปจะลดประสิทธิภาพการเชื่อมต่อทางแม่เหล็ก
• ช่องว่างที่ไม่เพียงพอจะเพิ่มความเสี่ยงต่อการลัดวงจรหรือการสัมผัสทางกล

5.3ความสัมพันธ์ระหว่างจำนวนรอบเลี้ยวและพฤติกรรมการขับขี่

ภายใต้เงื่อนไขอื่นๆ ที่เหมือนกันทุกประการ:

• การเพิ่มจำนวนรอบขดลวดจะทำให้ความถี่ในการทำงานลดลงและกระแสไฟฟ้าในขดลวดเพิ่มขึ้น
• การลดจำนวนรอบขดลวดจะทำให้ความถี่สูงขึ้น ในขณะที่กระแสไฟฟ้าจะลดลง

สำหรับวัสดุที่ไม่ใช่แม่เหล็กหรือโหลดที่มีแรงคู่ควบต่ำ การเพิ่มจำนวนรอบมักเป็นประโยชน์ในการปรับปรุงประสิทธิภาพการให้ความร้อน

5.4การประเมินผลเชิงปฏิบัติของการจับคู่โหลด

ในระหว่างการใช้งานจริง พฤติกรรมของกระแสไฟฟ้าและผลลัพธ์ด้านความร้อนสามารถใช้เป็นตัวชี้วัดเชิงประจักษ์ได้:

• กระแสไฟฟ้าสูงแต่อุณหภูมิเพิ่มขึ้นช้า มักบ่งชี้ว่าการเชื่อมต่อไม่เพียงพอหรือขนาดขดลวดไม่เหมาะสม
• หากการเพิ่มกระแสไฟฟ้าทำได้ยาก หรือระบบทำงานไม่เสถียร อาจบ่งชี้ว่ามีภาระมากเกินไป หรือจำนวนรอบขดลวดสูงเกินไป

การปรับขนาดของขดลวด จำนวนรอบ และตำแหน่งของชิ้นงาน จะช่วยให้ได้สภาวะการจับคู่ระบบที่เหมาะสมยิ่งขึ้น

6.0สภาวะการทำงานและข้อควรพิจารณาในการจัดการความร้อน

ในระหว่างการให้ความร้อนด้วยการเหนี่ยวนำความถี่สูง อุปกรณ์ไฟฟ้าและขดลวดเหนี่ยวนำจะทำงานภายใต้สภาวะความหนาแน่นของพลังงานสูง ทำให้การจัดการความร้อนอย่างมีประสิทธิภาพเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่ง

• สารหล่อเย็นควรมีค่าการนำความร้อนที่ดีและมีความเสถียรในระยะยาว
• ระบบระบายความร้อนต้องรับประกันอัตราการไหลและความดันที่ต่อเนื่องและคงที่
• หลังจากใช้งานด้วยกำลังไฟฟ้าสูงเป็นเวลานาน ควรปล่อยให้ระบบเย็นตัวลงเป็นระยะเวลานานพอสมควร เพื่อลดความเครียดจากความร้อนภายในระบบ

การจัดการความร้อนอย่างมีประสิทธิภาพไม่เพียงแต่ช่วยเพิ่มเสถียรภาพในการทำงาน แต่ยังช่วยยืดอายุการใช้งานของอุปกรณ์ได้อย่างมากอีกด้วย

7.0ตัวอย่างการใช้งานในอุตสาหกรรมทั่วไป

เทคโนโลยีการให้ความร้อนแบบเหนี่ยวนำความถี่สูงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในหลากหลายภาคอุตสาหกรรม โดยแต่ละกระบวนการจะมีความต้องการวิธีการให้ความร้อนและการควบคุมพารามิเตอร์ที่แตกต่างกันไป

ประสิทธิภาพการใช้งานจริงจะต้องได้รับการปรับให้เหมาะสมผ่านการทดสอบและการปรับแต่งโดยพิจารณาจากวัสดุชิ้นงาน ขนาด และวัตถุประสงค์ของกระบวนการเฉพาะ

8.0การวิเคราะห์ทางเทคนิคเกี่ยวกับปัญหาการใช้งานทั่วไป

ในระหว่างการใช้งานระยะยาวหรือภายใต้สภาวะการทำงานที่เปลี่ยนแปลงไป ระบบทำความร้อนแบบเหนี่ยวนำอาจมีประสิทธิภาพลดลงหรือทำงานผิดปกติ สาเหตุทั่วไป ได้แก่:

• การเปลี่ยนแปลงรูปทรงของขดลวดหรือการสัมผัสทางไฟฟ้าที่ไม่ดี;
• การเปลี่ยนแปลงของสภาวะการรับน้ำหนัก;
• ประสิทธิภาพการระบายความร้อนไม่เพียงพอ ทำให้กลไกป้องกันความร้อนทำงาน;
• ความผันผวนของแหล่งจ่ายไฟส่งผลให้ระบบตอบสนองผิดปกติ

เพื่อแก้ไขปัญหาเหล่านี้ ควรทำการวิเคราะห์และปรับแต่งอย่างเป็นระบบ โดยเน้นที่การจับคู่โหลด การจัดการความร้อน และความเสถียรของแหล่งจ่ายไฟ

9.0บทสรุป

เนื่องจากเครื่องทำความร้อนแบบเหนี่ยวนำความถี่สูงเป็นเทคโนโลยีการทำความร้อนทางอุตสาหกรรมที่พัฒนามาอย่างต่อเนื่องและมีประสิทธิภาพ การทำงานของเครื่องทำความร้อนแบบเหนี่ยวนำความถี่สูงจึงขึ้นอยู่กับความเข้าใจอย่างครอบคลุมในหลักการทางแม่เหล็กไฟฟ้า การออกแบบขดลวด คุณลักษณะของโหลด และการควบคุมกระบวนการ โดยการกำหนดค่าพารามิเตอร์ของระบบอย่างเหมาะสมและปรับกลยุทธ์การใช้งานให้เหมาะสมอย่างต่อเนื่อง จะสามารถบรรลุคุณภาพการทำความร้อนสูงในขณะที่รักษาการทำงานทางอุตสาหกรรมที่มีประสิทธิภาพและเสถียรได้

ข้อมูลที่นำเสนอในที่นี้มีวัตถุประสงค์เพื่อเป็นข้อมูลอ้างอิงทางเทคนิคทั่วไป การใช้งานเฉพาะด้านควรได้รับการออกแบบและตรวจสอบความถูกต้องตามสภาพการทำงานจริงและข้อกำหนดของกระบวนการ

 

อ้างอิง

www.theinductor.com/blog/how-induction-heating-technology-works-and-why-you-should-know/

www.ambrell.com/blog/research-universities-using-induction-heating