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.电磁感应加热原理
作者: 发布日期:2018/09/29 关注次数:401

 .电磁感应加热原理

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(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
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.(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:
式(1)

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。
参考文献:fundalmentals of power electronics, r.w.erickson(讲义)
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三 感应加热电源常见框图结构和控制方法
1.感应加热电源常见框图

图1 直流调功方式
图1为感应加热电源的框图,在电网输入情况下,先输入整流,通常用不控整流桥整流,然后用dc/dc变换器直流变换,常见的为buck,boost电路,接着为逆变,通常采用半桥或全桥逆变,而且为了电气隔离,会加入高频变压器。最后部分为lc滤波器,输出接近正弦波的电流。在要求pfc下,直流变换部分通常为pfc级,如果不要求,该级也可以省掉。

图2 逆变调功方式
2.各种控制方法的比较
感应加热电源的调功方式通常分为直流调功和逆变调功。
图1为一种直流调功方式,通过调节dc/dc变换器的输出电压来调节感应加热电源的输出功率。也有采用输入可控整流来调节功率。直流调功可以大范围调节功率,而且功率调节的线性比较好。但是必须在逆变桥前级加可控电路。而且在需要加入功率因素校正的时候,直流调功就较难实现了。
图2为逆变调功方式,逆变调功可以分为三类:
1) 频率调制(pfm)
频率调制的方法就是调节逆变开关管的开关频率,从而改变输出阻抗来达到调节输出功率的目的。这种调功方式比较常用,优点是调节方法比较简单,而且较容易实现软开关。但是,功率调节线性不好,而且调节范围不大。
2) 脉冲密度调制(pdm)
pdm就是通过控制脉冲密度,从而控制输出平均功率,来达到控制功率的目的。这种控制方法较容易实现,但是由于是间断加热,所以加热效果不好。
3) 脉冲宽度调制(pwm)
pwm通过调节逆变开关管的一个周期内导通时间来调节输出功率。这种方法等同普通开关电源的调制方法,调节线性好,范围大,但是不容易实现软开关。
当然,感应加热的负载通常会随着工作条件的改变而改变特性。这样就会要求电源要监视负载的变化,从而进行调整,比如采用频率跟踪等方法。
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