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新型高频感应加热电源理论解析及应用
作者: 发布日期:2018/09/29 关注次数:787
新型高频感应加热电源理论解析及应用
 

关键字:高频感应电源 论解 实验进程
一、 感应加热发展的历史及其应用场合
1.感应加热发展历史
感应加热来源于法拉第发现的电磁感应现象,也就是交变的电流会在导体中产生感应电流,从而导致导体发热。长期以来,技术人员都对这一现象有较好了解,并且在各种场合尽量抑止这种发热现象,来减小损耗。比较常见的如开关电源中的变压器设计,通常设计人员会用各种方法来减小涡流损耗,来提高效率。然而在19世纪末期,技术人员又发现这一现象的有利面,就是可以将之利用到加热场合。来取代一些传统的加热方法,因为感应加热有以下优点:

(1) 非接触式加热,热源和受热物件可以不直接接触
(2) 加热效率高,速度快,可以减小表面氧化现象
(3) 容易控制温度,提高加工精度
(4) 可实现局部加热
(5) 可实现自动化控制
(6) 可减小占地,热辐射,噪声和灰尘
由于感应加热具有以上的一些优点,大量的工程技术人员对此进行了研究,1890年瑞典技术人员发明了第一台感应熔炼炉――开槽式有芯炉,1916年美国人发明了闭槽有芯炉,从此感应加热技术逐渐进入实用化阶段。而后,20世纪电力电子器件和技术的飞速发展,极大的促进了感应加热技术的发展。
1957年,美国研制出作为电力电子器件里程碑的晶闸管,标志着现代电力电子技术的开始。同时,也引发了感应加热技术的革命。1966年,瑞士和西德首先利用晶闸管研制感应加热装置,从此感应加热技术开始飞速发展。
80年代后,电力电子器件再次飞速发展,gto,mosfet,igbt,mct,sit等器件相继出现。感应加热装置也逐渐摒弃晶闸管,开始采用这些新器件。现在比较常用的是igbt和mosfet,igbt用于较大功率场合,而mosfet用于较高频率场合。据报道,国外可以采用igbt将感应加热装置做到功率超过1000kw,频率超过50k。而mosfet较合适高频场合,通常在几千瓦的中小功率场合,频率可达到500k以上,甚至几m。然而国外也有推出采用mosfet的大功率的感应加热装置,比如美国研制的2000kw/400khz的装置。
国内的电力电子技术起步比较完,所以感应加热技术也落后于国外很多。但是由于市场前景广阔,所以研制的感应加热的技术人员逐渐增加。国内在此领域处于领先地位的为浙江大学,但是离国外先进技术还有相当距离。
2. 感应加热应用场合
感应加热可以用于多种场合,主要有:
(1) 冶金:有色金属的冶炼,金属材料的热处理,锻造、挤压、轧制等型材生产的偷热;焊管生产的焊缝。
(2) 机械制造:各种机械零件的淬火,以及淬火后的回火、退火和正火等热处理的加热。压力加工前的透热。
(3) 轻工:罐头以及其它包装的封口,比如著名的利乐砖的封口包装。
(4) 电子:电子管真空除气的加热
二 感应加热基本原理
1.电磁感应原理
1831年,英国物理学家faraday发现了电磁感应现象,并且提出了相应的理论解释。其内容为,当电路围绕的区域内存在交变的磁场时,电路两端就会感应出电动势,如果闭合就会产生感应电流。
利用高频电压或电流来加热通常有两种方法:
(1) 电介质加热:利用高频电压(比如微波炉加热)
(2) 感应加热:利用高频电流(比如密封包装)
2.电介质加热(dielectric heating)
电介质加热通常用来加热不导电材料,比如木材。同时微波炉也是利用这个原理。原理如图1:

图1 电介质加热示意图
当高频电压加在两极板层上,就会在两极之间产生交变的电场。需要加热的介质处于交变的电场中,介质中的极分子或者离子就会随着电场做同频的旋转或振动,从而产生热量,达到加热效果。
3.感应加热(induction heating)
感应加热原理为产生交变的电流,从而产生交变的磁场,再利用交变磁场来产生涡流达到加热的效果。如图2:

图2 感应加热示意图
基本电磁定律:
法拉第定律:  
安培定律:  
其中: , 
如果采用mks制,e的单位为v,ø的单位为wb,h的单位为a/m,b的单位为t。
以上定律基本阐述了电磁感应的基本性质,
集肤效应:
当交流的电流流过导体的时候,会在导体中产生感应电流(如图3),从而导致电流向导体表面扩散。也就是导体表面的电流密度会大于中心的电流密度。这也就无形中减少了导体的导电截面,从而增加了导体交流电阻,损耗增大。工程上规定从导体表面到电流密度为导体表面的1/e=0.368的距离δ为集肤深度。
在常温下可用以下公式来计算铜的集肤深度:

图3 涡流产生示意图
从以上可以看到,如果增大电流和提高频率都可以增加发热效果,是加热对象快速升温。所以感应电源通常需要输出高频大电流。
 

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