次級串聯(lián)諧振感應(yīng)電源加熱研究

感應(yīng)加熱電源具有污染小、效率高、加熱快速、控制方便、生產(chǎn)安全等多方面的優(yōu)點(diǎn)，在黑色金屬熱處理領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。基于感應(yīng)加熱電源的以上優(yōu)點(diǎn)，感應(yīng)加熱熱處理工藝正在被引入到有色金屬熱處理工業(yè)生產(chǎn)中去，但是又由于有色金屬通常磁導(dǎo)率低不易被感應(yīng)加熱，所以在電源的設(shè)計(jì)方面又會出現(xiàn)一些問題。

  本文著重以次級串聯(lián)諧振感應(yīng)加熱電源為研究對象，通過初級串聯(lián)諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與次級串聯(lián)諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的對比分析，從理論上推導(dǎo)出在有色金屬感應(yīng)加熱應(yīng)用中次級串聯(lián)諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)所在，得出結(jié)論次級串聯(lián)諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更加適合應(yīng)用于有色金屬感應(yīng)加熱電源中。

感應(yīng)加熱基本原理

  感應(yīng)加熱原理是以焦耳定律和法拉第電磁感應(yīng)定律為基礎(chǔ)的。放置于時變磁場中的導(dǎo)體，在法拉第電磁感應(yīng)定律作用下，導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，導(dǎo)體自由電子開始做定向運(yùn)動產(chǎn)生感應(yīng)電流，具有電阻性的導(dǎo)體通過感應(yīng)電流后會產(chǎn)生熱能而使其自身發(fā)熱，根據(jù)焦耳定律可得：

式中

  W 為導(dǎo)體產(chǎn)生熱量，單位焦耳（J）；

  I 為導(dǎo)體流過有效電流強(qiáng)度，單位安培（A）；

  R 為導(dǎo)體電阻值，單位歐姆（Ω）；

  t 為電流流過導(dǎo)體時長，單位秒（s）。

  根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律描述，當(dāng)導(dǎo)體回路所包含截面區(qū)域內(nèi)的磁通量發(fā)生變化，就會在導(dǎo)體閉合回路中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，進(jìn)而產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電動勢可用公式表示為

  式中

  e 為導(dǎo)體閉合回路產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢，單位伏特（V）；   

  N 為導(dǎo)體繞組匝數(shù)，無單位量綱；

  ∮為導(dǎo)體閉合回路截面的磁通量，單位為韋伯（Wb）；

  t 為時間，單位秒（s）。

如圖 1.1 所示，當(dāng)感應(yīng)加熱電源設(shè)備的感應(yīng)線圈中通過交變電流1i 時，在線圈內(nèi)會產(chǎn)生交變磁場。而導(dǎo)體工件處于交變磁場中，可將工件看作為單匝線圈，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，在導(dǎo)體工件上會產(chǎn)生一個交變感應(yīng)電動勢，進(jìn)而產(chǎn)生感應(yīng)電流2i 。由于導(dǎo)體工件都具有一定的電阻性，因此又根據(jù)焦耳定律，工件將在感應(yīng)電流作用下迅速產(chǎn)生熱量并對其自身進(jìn)行熱處理。

 在感應(yīng)加熱工件截面上，所產(chǎn)生感應(yīng)電流的密度并非均勻存在，當(dāng)感應(yīng)線圈通過交變電流時，在工件截面上產(chǎn)生的感應(yīng)電流密度由外到內(nèi)逐漸減小地非均勻分布，越往工件內(nèi)部電流密度越小，這種電流的趨表現(xiàn)象被稱為趨膚效應(yīng)。

  感應(yīng)加熱技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

 目前，感應(yīng)加熱技術(shù)已在金屬表面熱處理、熔煉、焊接等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，日益成為機(jī)械加工、冶金、國防等部門的重要能源形式，船舶、汽車、飛機(jī)等傳統(tǒng)的制造業(yè)也在不斷改造舊式設(shè)備，應(yīng)用更加先進(jìn)的感應(yīng)加熱設(shè)備。相對于傳統(tǒng)加熱工藝，感應(yīng)加熱技術(shù)之所以被廣泛認(rèn)可，主要表現(xiàn)為以下優(yōu)點(diǎn)：

  一、加熱效率高，節(jié)約能源，節(jié)省成本；

  二、產(chǎn)品加熱溫度容易控制，產(chǎn)品離散性小，質(zhì)量可靠；

  三、安全性高，避免安全事故對操作工人嚴(yán)重的人身傷害；

  四、加熱迅速，能夠短時間內(nèi)達(dá)到加熱溫度，減小金屬氧化程度；

  五、自動控制容易實(shí)現(xiàn)，借助數(shù)字處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能操作；

  六、操作環(huán)境好，極少的煙、塵、噪聲、熱等；

  七、作業(yè)空間小，節(jié)約場地成本；

  八、可對形狀復(fù)雜的工件進(jìn)行熱處理；

  感應(yīng)加熱技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r及發(fā)展趨勢

  感應(yīng)加熱技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r

  雖然早在 1831 年電磁感應(yīng)原理就已經(jīng)被偉大的科學(xué)家法拉第發(fā)現(xiàn)，但人類真正使用感應(yīng)加熱這一技術(shù)始于 20 世紀(jì)初期，并且在很長一段時間內(nèi)，感應(yīng)加熱技術(shù)發(fā)展緩慢。經(jīng)過近百年歷史的發(fā)展，感應(yīng)加熱技術(shù)取得了長足進(jìn)步。特別是上世紀(jì) 60年代以來，隨著固態(tài)電力電子器件的發(fā)明與其制造工藝的發(fā)展，感應(yīng)加熱技術(shù)又有了飛躍性發(fā)展。90 年代開始，國內(nèi)普遍開始采用IGBT 作為功率開關(guān)管研發(fā)超音頻感應(yīng)加熱電源。高頻感應(yīng)加熱電源的功率容量和工作頻率已與先進(jìn)水平相當(dāng)，但是在設(shè)備的穩(wěn)定性、制造工藝水平等方面仍有不小差距。目前，國內(nèi)設(shè)備生產(chǎn)需要的 IGBT、MOSFET 和 SIT 等功率開關(guān)器件幾乎全部依賴進(jìn)口，這使國內(nèi)生產(chǎn) IGBT 超音頻電源、高頻電源成本大大增加，在一定程度上制約了我國感應(yīng)加熱技術(shù)的進(jìn)步與提升。近年來，國際社會上越來越多的科研人員正在為感應(yīng)加熱技術(shù)的深度研究、感應(yīng)加熱應(yīng)用領(lǐng)域的拓展付出著艱辛努力。

  感應(yīng)加熱技術(shù)由于其諸多優(yōu)點(diǎn)，正在被越來越廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中，促進(jìn)了生產(chǎn)力的巨大提升，因此國際社會都在越來越關(guān)注感應(yīng)加熱技術(shù)的發(fā)展，并且投入了大量的技術(shù)研究力量.