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1、辽宁工程技术大学毕业设计（论文）0 引言感应加热技术是20世纪初才开始应用于工业部门的，它是通过电磁感应原理及利用涡流对工件进行加热。由于感应加热具有加热速度快、物料内部发热和热效率高、加热均匀且具有选择性、产品质量好、可控性好及易于实现生产自动化等一系列优点，已成为冶金、国防、机械加工等部门及船舶、飞机、汽车制造业等不可缺少加热技术，如：金属无缝焊接、金属退火处理、金属材料的表面淬火、药品包装封口、饮料包装封口等许多加工工艺均采用感应加热技术。同时，感应加热装置在提高安全水平，适应高效率生产，改善环境，节省能源方面发挥着重要作用，因此近年来得到了迅速发展。我国感应加热技术从50年代开始就被广
2、泛应用于工业生产当中，60年代末开始研制晶闸管中频电源，到目前已经形成了一定范围的系列化产品，并开拓了较为广阔的应用市场。在中频领域，晶闸管中频电源装置基本上取代了旋转发电机。但国产中频电源大多采用并联谐振逆变器结构，因此在开发更大容量的并联逆变中频感应加热电源的同时，尽快研制出结构简单，易于频繁启动的串联谐振逆变中频电源也是中频领域有待解决的问题。在超音频领域的研究工作八十年代已经开始。随着工业应用不断提出新的要求和电力电子器件及技术的发展，以及计算机微控制器性能的增强以及现代控制理论的发展，感应加热电源不管其理论还是实践也在不断发展和成熟。但是，总的来说，与发达国家相比，无论是容量、控制技
3、术手段、电源工作频段还是生产规模和工艺技术方面，我们仍然存在很大差距。尤其在高频感应加热电源领域内，还存在许多空白，有待我们去研究和开发1。1概述1.1电磁感应加热基本原理所谓电磁感应加热就是利用电磁感应现象对金属物件进行加热的方式。此原理应用最多的地方是变压器。变压器一次侧与二次侧各有一组线圈，一次侧输入的交流电压会使线圈产生正负交替变化的磁场，并与二次侧线圈祸合，因而在二次测产生感应电压，提供负载电流。一般变压器为了提高祸合效果，采用高磁导率的铁磁性材料为铁心，铁心产生的铁损会使变压器温度升高。产生铁损的原因有两种，一是与铁心材料的磁滞现象有关，另一种则是与变压器线圈在铁心产生的涡流有关。
4、电磁感应加热就是利用铁损加热使温度上升。另一方面，由于金属物件具备导热的特性，因此适合非接触性电磁感应作用加热。根据电磁感应定律，当通过导体回路的磁通量随时间发生变化时，回路中会有感应电动势产生，从而产生感应电流。磁通量的变化可以由磁场变化引起的，也可以是由于导体在磁场中运动或导体回路中的一部分切割磁力线的运动而产生的。感应电动势的大小与磁通量变化的快慢有关(电磁感应现象的实质是磁通量变化产生感应电动势);感应电动势的方向总是企图由它产生的感应电流建立一个附加的磁通量，以阻止引起感应电动势的那个磁通量。麦克斯韦在分析电磁感应现象的基础上，提出了一个大胆的假设:变化的磁场在其周围空间激发了一种新
5、的电场，这种电场称为涡旋电场。电磁感应定律的数学公式表示如下:（1-1）（1-2）由式(2-2)可知，当置于磁场中的导体不动，而磁场随时间变化时，金属中的载流子将在涡旋电场的作用下运动而形成电流，这种电流呈涡旋状，因此成为涡电流。因为金属的电阻很小，所以不大的感应电动势便可产生较强的涡电流。从而可以在金属内产生大量的焦耳热，这就是感应加热的基本原理2。将频率为50Hz的市电接入系统，整流滤波后利用逆变电路将其转变为不同频率的交流电流，供应负载部分的加热线圈，加热线圈将建立交变磁场。若将磁性或非磁性的导电物件置入加热线圈所建立的交变磁场内，由于磁力线的切割，被加热物件将在不同深度会产生感应电流
6、(即涡流)。由于被加热物件的阻抗特性及涡流在被加热物件上的流动，因此产生R(R表示被加热物件的等效电阻)的电功率热消耗，使被加热物件温度上升，达到加热的目的。感应加热原理如图1-1所示。图1-1 感应加热原理图Fig.1-1 Principle diagram of induction heating 简言之，电磁感应加热系统中有三个阶段的能量转换，首先是电能转变为磁能，接着通过电磁感应原理将磁能转变为电能，最后由具有导电性的物体吸收电能转换为热能，达到升温的效果。1.2电磁感应加热系统设计在感应加热系统的设计中，系统频率、加热线圈散热与绝缘、加热线圈类型、加热线圈设计等皆须考虑，以下将针对上
7、述因素进行说明。1.2.1系统频率被加热物件在加热线圈建立的交变磁场内，其感应的涡流并非均匀分布在被加热物件的各个剖面层上，越靠近加工物件表面处，电流密度越大，而且加热线圈上的电流频率越高，涡流往物件表层集中的程度越明显。考虑加热对象的加热深度及使用用途，本文设计电磁感应加热系统工作频率为20kHz-60kHz。1.2.2加热线圈散热与绝缘理想电磁感应加热应是被加热物件加热，而电磁感应加热线圈保持在低温状态，但实际有两个因素将造成电磁感应加热线圈受热，第一个因素是高频大电流在加热线圈上流动所产生的热，第二个因素是被加热物件在加热过程中辐射大量热能的影响。因此，大功率加热线圈须加装冷却装置来降温
8、，电磁感应加热线圈常见的冷却方式有自冷式、水冷式、油冷式及强行空气对流冷却。通常加热线圈与加工物件要相互隔离，然而为提高祸合程度，增加工作效率及缩短加热时间，因此两者之间要尽量接近。为避免加工物件表面容易放电等不定因素造成短路，一般可在加热线圈表面涂抹一层环氧树脂，增加绝缘效果。本文采用空气冷却式冷却方法。通过风扇通风散热，利用热敏电阻阻值随温度变化而变化的特性监控样机内部温度变化情况，使电磁感应加热线圈工作在85以下的环境温度中。考虑到样机内部温度不均匀因素，实际测量内部各位置温度后，将热敏电阻安装在内部温度最高的地方监视内部温度变化。1.2.3加热线圈类型电磁感应加热线圈有很多类型。加热线
9、圈尺寸与材质选择都会受操作条件的限制，如频率、功率与电流等;而其他因素包含制作型式、工件外形与物理特性及所要求温度条件等。加热线圈因为要满足不同功率、频率与加热形态的需求及本身材质、形状、体积、大小等差异，线圈形式主要分为单匝型和多匝型，一般单匝型线圈用于加热面积较小者;对于较大面积加热需求，多匝型加热线圈可提供较高功率及较短加热时间。总之，加热线圈的选择需考虑到加热实际情况，才能获得最佳效果。本文研究应用于平面加热的电磁加热装置，考虑加热功率及加热时间等因素采用多匝扁平状电磁感应加热线圈，对物件进行单侧加热。1.2.4加热线圈设计对于非磁性材料，如铜、金、银的相对导磁系数，几乎等于1，这些非
10、磁性材料在高频时，有较深电流浸透度，导致加热深度较深，所以铜绕制的加热线圈，其电流浸透深度位置较深，因此也较不受涡流所产生的趋肤效应所产生的焦耳热影响。所以本文采用铜材料绕制电磁感应加热线圈。感应加热过程中存在着三种效应：集肤效应、邻近效应和圆环效应，下面分别介绍。集肤效应：当交流电通过导体时，沿导体截面上的电流分布不是均匀的，最大的电流密度出现在导体的表面层，我们称这种电流集聚的现象为集肤效应。邻近效应：两根通有交流电的导体距离很近时，导体中的电流分布会受彼此的影响而有所变化。若两导体中电流方向相反，则最大的电流密度出现在两导体的内侧，反之若导体中电流方向相同，则最大电流出现在导体外侧，这种
11、现象就称作邻近效应。圆环效应：将交流电通过圆环形线圈时，最大的电流密度出现在线圈导体的内侧，这种现象称作圆环效应。感应加热电源就是综合利用此三种效应的设备。交变磁场在导体中感应出的交变涡流由于集肤效应的影响，其沿横截面由导体表面至中心按指数规律衰减，工程上规定，当涡流强度由表面向内层衰减到其最大值的时，此处与表面的距离称为电流透入深度。由于由涡流产生的热量与涡流的平方成正比，因此热量由工件表面至芯部的下降速度比涡流的下降速度快的多，我们可以近似认为感应加热的热量集中在厚度为电流透入深度的薄层中。工程上，透入深度可由下面表达式确定： （1-3）式中：导体材料的电阻率()；：导体材料的相对磁导率；
12、：感应涡流的频率(Hz)。由式1-7可以得知，当被加热工件、材料的电阻率和相对磁导率确定以后，透入深度只与感应涡流的频率的平方根成反比，因此我们可以通过改变频率来控制它，频率越高，工件的发热层越薄。因为在某些金属热处理中，工艺要求工件的透入深度要在一定的范围之内。1.2.5感应加热的特点与应用自从1890年世界上第一台感应熔炼炉开槽式有芯炉问世以来，无论是感应加热的理论还是感应加热的实际应用装置都得到了很大的发展，感应加热的应用领域也得到了很大的扩展，其中主要的原因在于感应加热比之传统的一些加热方式具有下列的一些特点、优点：1）加热温度高，而且是非接触式加热；2）加热效率高，有利于节能，符合当
13、今能源节约的要求；3）加热速度快，被加热物的表面氧化少，有利于提高产品质量；4）加热温度容易控制，产品质量稳定；5）容易实现装置的自动控制，减轻劳动强度，降低投入；现在，感应加热被广泛用于金属熔炼、透热、热处理和焊接等工业过程，己经成为冶金、国防、机械加工等部门及船舶、飞机、汽车制造等行业不可缺少的工业技术设备，此外，在人们的日常生活中，感应加热技术也得到了大量的运用，例如电磁炉、电热水器等家用电气很多就是采用感应加热方式来实现的。1.2.6感应加热技术的发展及趋势感应加热技术从诞生至今，经过近百年的发展，取得了令人瞩目的成果。而感应加热技术的核心就是感应加热电源。20世纪50年代以前，感应加
14、热电源主要有：工频感应熔炼炉、电磁倍频器、中频发电机组和电子管振荡式高频电源，我们称为传统电源。五十年代末，固态电力电子器件的出现与发展，使感应加热技术和现代化生产许多方面密切相关，发挥了很大的生产力的作用，因此世界各国都十分关注感应加热技术的发展，并投入了相当的经济支持和技术力量，使得传统感应加热电源与固态感应加热电源取长补短，互补共存。随着技术的发展和应用场合的要求，感应加热电源主要有以下几种发展趋势：1）智能化控制。随着感应加热处理生产线自动化控制程度及对电源可靠性要求的提高，感应加热电源正向智能化控制方向发展。具有计算机接口、远程控制、故障自诊断等控制性能的感应加热电源正成为下一代发展
15、目标。2）高功率因数，低谐波电源。由于感应加热电源一般功率都很大，目前对它的功率因数、谐波污染指标还没有严格要求，但随着对整个电网无功及谐波污染要求的提高，具有高功率因数低谐波污染的电源必将成为发展趋势。3）电源和负载的最佳匹配。由于感应加热电源多用于工业现场，运行工况比较复杂，因此电源逆变器与负载之间的配置方式将直接影响到电源运行的可靠性和效率。为了逆变器能够输出最大功率，必须使负载阻抗与逆变器的功率机器定额相匹配24。2 电磁感应加热装置的结构2.1感应加热系统主电路结构电磁感应加热系统方框图与电路结构图分别如图2-1所示。其中整流电路、逆变电路与负载电路属于功率级部分，驱动电路与控制电路则属于弱电部分。 图2-1 感应加热装置主电路结构框图Fig.2-1 Induction heating device block diagram of main circuit感应加热装置各单元的功能简述如下:1）交流电源:单相220V市电；2）整流滤波:将交流电源转换为稳定的直流电压源；3）输入电感:供应近似稳定的直流电流源与升压的功用；4）逆变电路:DC/AC，提供可调变频的交流电流；5）隔离驱动:进行开关的高频隔离驱动工作；6）控制电路:驱动功率器件开关的信号；7）谐振电容:与加热负载形成RLC等效串联或并联谐振电路。如图所示，电路由单
