中頻感應(yīng)加熱器的設(shè)計(jì)研究（可編輯）

1、中頻感應(yīng)加熱器的設(shè)計(jì)研究 目錄1 緒論91.1 感應(yīng)加熱器的發(fā)展91.2感應(yīng)加熱的工作原理101.3 感應(yīng)加熱電源技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢221.4感應(yīng)加熱電源的工作原理242 感應(yīng)加熱電源及其實(shí)現(xiàn)方案研究252.1 串并聯(lián)諧振電路的比較252.2 串聯(lián)諧振電源工作原理262.3 電路的功率調(diào)節(jié)原理282.4 本課題設(shè)計(jì)思路及主要設(shè)計(jì)內(nèi)容283 感應(yīng)加熱電源電路的主回路設(shè)計(jì)303.1 主電路的主要設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)303.2 感應(yīng)加熱電源電路的主回路結(jié)構(gòu)30主電路結(jié)構(gòu)框圖如圖3.1所示:303.2.1主回路的等效模型323.2.2 整流部分電路分析353.2.3逆變部分電路分析373.3 系統(tǒng)主回路的元器

2、件參數(shù)設(shè)定393.3.1整流二極管和濾波電路元件選擇393.3.2 IGBT和續(xù)流二極管的選擇403.3.3槽路電容和電感的參數(shù)設(shè)定414 控制電路的設(shè)計(jì)434.1 控制芯片SG3525A444.1.1內(nèi)部邏輯電路結(jié)構(gòu)分析444.1.2芯片管腳及其功能介紹464.2 電流互感器485 驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)505.1 絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)對驅(qū)動電路的要求505.1.1 門極電壓對開關(guān)特性的影響及選擇505.1.2門極串聯(lián)電阻對開關(guān)特性的影響及選擇505.2 IGBT過壓的原因及抑制515.3 IGBT的過流保護(hù)535.3.1設(shè)計(jì)短路保護(hù)電路的幾點(diǎn)要求535.4 集成光電隔離驅(qū)動模塊HCPL-

3、316J535.4.1器件特性545.4.2芯片管腳及其功能介紹545.4.3 內(nèi)部邏輯電路結(jié)構(gòu)分析555.4.4器件功能分析565.4.5驅(qū)動電路需要注意的問題586 輔助直流穩(wěn)壓電源596.1 三端固定穩(wěn)壓器596.2 本次設(shè)計(jì)用的的電源606.2.1 18伏, 15伏穩(wěn)壓電壓電源606.2.2 12伏,5伏雙路穩(wěn)壓電源606.2.3 元器件選擇及參數(shù)計(jì)算617 硬件調(diào)試648 結(jié)論66致 謝67參考文獻(xiàn)68 中頻感應(yīng)加熱器的設(shè)計(jì)研究設(shè)計(jì)總說明: 中頻感應(yīng)加熱以其加熱效率高、速度快,可控性好及易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動化等優(yōu)點(diǎn),已在熔煉、鑄造、彎管、熱鍛、焊接和表面熱處理等行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。

4、1831年法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象,并建立了電磁感應(yīng)定律,奠定了感應(yīng)加熱的理論基礎(chǔ)。而感應(yīng)加熱就是將材料放在高頻磁場內(nèi)例如放到通有高頻電流的線圈內(nèi)部,則磁力線切割材料,在材料中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,從而產(chǎn)生渦流。渦流也是高頻電流。由于材料具有電阻,結(jié)果使材料發(fā)熱,利用感應(yīng)渦流的熱效應(yīng)進(jìn)行加熱。中頻感應(yīng)加熱則是采用加熱線圈通高頻電流產(chǎn)生的磁力線集中在被加熱物上、由電磁的感應(yīng)作用,產(chǎn)生渦旋電流,將被加熱物加熱。 感應(yīng)加熱與其它的加熱方式,如燃?xì)饧訜?電阻爐加熱等不同,它把電能直接送工件內(nèi)部變成熱能,將工件加熱。而其他的加熱方式是先加熱工件表面,然后把熱再傳導(dǎo)加熱內(nèi)部。 因此在感應(yīng)加熱中存在著三個(gè)效應(yīng)?集

5、膚效應(yīng)、近鄰效應(yīng)和圓環(huán)效應(yīng)。 集膚效應(yīng):當(dāng)交變電流通過導(dǎo)體時(shí),沿導(dǎo)體截面上的電流分布式部均勻的,最大電流密度出現(xiàn)在導(dǎo)體的表面層,這種電流集聚的現(xiàn)象稱為集膚效應(yīng)。 近鄰效應(yīng)?當(dāng)兩根通有交流電的導(dǎo)體靠得很近時(shí),在互相影響下,兩導(dǎo)體中的電流要重新分布。當(dāng)兩根導(dǎo)體流的電流是反方向時(shí),最大電流密度出現(xiàn)在導(dǎo)體內(nèi)側(cè);當(dāng)兩根導(dǎo)體流的電流是同方向時(shí),最大電流密度出現(xiàn)在導(dǎo)體外側(cè),這種現(xiàn)象稱為近鄰效應(yīng)。 圓環(huán)效應(yīng):若將交流電通過圓環(huán)形線圈時(shí),最大電流密度出現(xiàn)在線圈導(dǎo)體的內(nèi)側(cè),這種現(xiàn)象稱為圓環(huán)效應(yīng)。 感應(yīng)加熱則是綜合利用這三種效應(yīng)。在感應(yīng)線圈中置以金屬工件,感應(yīng)線圈兩端加上交流電壓,產(chǎn)生交流電流,在工件中產(chǎn)生感應(yīng)電流

6、。此兩電流方向相反,情況與兩根平行母線流過方向相反的電流相似。當(dāng)電流和感應(yīng)電流相互靠攏時(shí),線圈和工件表現(xiàn)出鄰近效應(yīng),結(jié)果,電流集聚在線圈的內(nèi)側(cè)表面,電流聚集在工件的外表面。這時(shí)線圈本身表現(xiàn)為圓環(huán)效應(yīng),而工件本身表現(xiàn)為集膚效應(yīng)。 本設(shè)計(jì)基于感應(yīng)加熱的原理,研制了20KW中頻感應(yīng)加熱器。 本設(shè)計(jì)中感應(yīng)加熱器采用IGBT作為開關(guān)器件,可工作在10 Hz10 kHz頻段。它由整流器、濾波器、和逆變器組成。整流器采用不可控三相全橋式整流電路。濾波器采用兩個(gè)電解電容和一個(gè)電感組成型濾波器濾波和無源功率因數(shù)校正。逆變器主要由PWM控制器SG3525A控制四個(gè)IGBT的開通和關(guān)斷,實(shí)現(xiàn)DC-AC的轉(zhuǎn)換。 設(shè)計(jì)

7、中采用的芯片主要是PWM控制器SG3525A和光耦合驅(qū)動電路HCPL-316J。 設(shè)計(jì)過程中程充分利用了SG3525A的控制性能,具有寬的可調(diào)工作頻率,死區(qū)時(shí)間可調(diào),具有輸入欠電壓鎖定功能和雙路輸出電流。在中小容量變頻電源的設(shè)計(jì)中,采用自關(guān)斷器件的脈寬調(diào)制系統(tǒng)比非自關(guān)斷器件的相控系統(tǒng)具有更多的優(yōu)越性。第一代脈寬調(diào)制器SG3525A應(yīng)用于交流電機(jī)調(diào)速、UPS電源以及其他需要PWM脈沖的領(lǐng)域。其外圍電路可對串聯(lián)諧振式逆變電源進(jìn)行多功能控制,實(shí)現(xiàn)H橋式IGBT脈寬調(diào)制PWM信號的生成和逆變電源的保護(hù)功能,以及變頻電源工作過程中諧振頻率的跟蹤控制。SG3525脈寬調(diào)制型控制器是美國通用電氣公司的產(chǎn)品,

8、作為SG3524的改進(jìn)型,更適合于運(yùn)用MOS管作為開關(guān)器件的DC/DC變換器,它是采用雙級型工藝制作的新型模擬數(shù)字混合集成電路,性能優(yōu)異,所需外圍器件較少。它的主要特點(diǎn)是:輸出級采用推挽輸出,雙通道輸出,占空比0-50%可調(diào),每一通道的驅(qū)動電流最大值可達(dá)200mA,灌拉電流峰值可達(dá)500mA?？芍苯域?qū)動功率MOS管,工作頻率高達(dá)400KHz,具有欠壓鎖定、過壓保護(hù)和軟啟動等功能。該電路由基準(zhǔn)電壓源、震蕩器、誤差放大器、PWM比較器與鎖存器、分相器、欠壓鎖定輸出驅(qū)動級,軟啟動及關(guān)斷電路等組成,可正常工作的溫度范圍是0-700?；鶞?zhǔn)電壓為5.1 V士1%,工作電壓范圍很寬,為8V到35V。由于HC

9、PL-316J具有快的開關(guān)速度(500ns),光隔離,故障狀態(tài)反饋,可配置自動復(fù)位、自動關(guān)閉等功能,所以選擇其作為IGBT的驅(qū)動。其內(nèi)部集成集電極-發(fā)射極電壓(UGE)欠飽和檢測電路及故障狀態(tài)反饋電路。HCPL316J 是一種簡單的智能型驅(qū)動器芯片。用戶可根據(jù)需要靈活設(shè)置高電平輸入、高電平輸出和低電平輸入、高電平輸出的輸入方式,自動復(fù)位或通過控制復(fù)位,故障自動關(guān)斷,光耦隔離,CMOS/TTL 電平兼容,集成的退飽和電壓檢測,有回滯的低電壓閉鎖UVLO ,軟關(guān)斷IGBT 技術(shù)及隔離的故障反饋信號。IGBT柵極最大驅(qū)動電流可達(dá)2. 5 A ,最大驅(qū)動電流 150 A , 1 200 V ,最大開關(guān)

10、速度為500 ns ,較寬的工作電壓范圍為1530 V。 本次畢業(yè)中,分析了感應(yīng)加熱器的工作原理,選擇合適的方案并設(shè)計(jì)了中頻感應(yīng)加熱器的電路圖,設(shè)計(jì)了整個(gè)系統(tǒng)的控制和驅(qū)動電路,完成了系統(tǒng)的整個(gè)電路的設(shè)計(jì)制作,撰寫了設(shè)計(jì)說明說一份,設(shè)計(jì)電路圖大號圖紙若干。 關(guān)鍵詞:感應(yīng)加熱電源;串聯(lián)諧振;逆變電路;IGBT The design of medium frequency induction heater Introduction The Intermediate Frequency Induction Heating has been widely applied in melting, cast

11、ing, bend, hot forging, welding, Surface Heat Treatment due to its advantages of high heating efficiency、high speed、easily controlled、easily being mechanized and automated. 1831 Faraday discovered electricity induction phenomenon, and to establish a law on electromagnetic induction, laid the inducti

12、on heating theoretical basis. And induction heating is within the materials on high-frequency magnetic field for example on the inside of a high frequency current coil, while in material, magnetic wire-cutting materials produced in induction emf, resulting in a vortex. Eddy current is also high-freq

13、uency currents. Due to materials, the results make materials with resistance, use inductive heating overheats heat. Vortex Intermediate frequency induction heating is general by heating coil produced high-frequency currents as the thing on the heated by electromagnetic induction, role, produce vorte

14、x current, will be heating content heating Induction heating and other heating mode, such as gas heating, resistance furnace heating is different, it sent directly within the energy into heat, workpiece heating the workpiece. While other heating mode is first heating surface of workpiece, then the h

15、eat conduction heating again inside So in induction heating exist in three effect - set skin effect, nearest-neighbor effect and circle effect when alternating current skin effect when the conductor by conductor, the current section evenly distributed department, the imum current density appeared in

16、 the surface layer, the current conductor gathered phenomenon known as set skin effect Induction heating is comprehensive utilization of these 3 kinds of effects. In induction coils of metal workpieces, to buy with ac voltage induction coils, creating both ends of the workpiece, alternating current

17、induced current. The two current situation in opposite directions, with two root parallel busbar through opposite current similar. When current and induction current mutual close, coil and workpiece show proximity effect, results, current gathered in the inside surface, current coil gathered in the

18、outer surface of the workpiece. Then coil itself performance for circle effects, and the workpiece itself skin effect performance for the set This design based on the principle of inductive heating 20KW mid-frequency induction heater is developed The thesis discusses the Choice of converter scheme i

19、n detail. Series Resonance Inverter has another name is Voltage Inverter. Its Output Voltage approaches square wave and load current approaches sine-wave. Inversion must follow the Principles of break before make and there is enough dead-time between turn-off and turn on in order to avoiding direct

20、through in upper and lower bridgesDesign is mainly used in the chip PWM controller SG3525A and light coupling drive circuit HCPL - 316J Design process SG3525A medium-range made full use of the control performance, with wide adjustable working frequency and dead zone time adjustable, with input owe v

21、oltage locking function and double ways of output current. In small and medium-sized capacity in the design of the variable frequency power, adopting the shutoff device of pulse width modulation system since shutoff device than the the phased system has more advantages. The first generation of pulse

22、 width omdulatros SG3525A used in ac motor speed, UPS power and other needs of PWM pulse field. Its periphery circuit can about the serial resonant inverter power for multi-function control, realize H bridge type IGBT pulse width modulation PWM signal generation and inverter power supply, the protec

23、tion function and frequency conversion power work process tracking control of the resonant frequency SG3525 pulse width modulation model controller is the general electric companys products, as SG3524 modified, the more suitable for use as switching device MOS tube of DC/DC converter, it is double t

24、he production process of new type level simulate digital hybrid integrated circuit, excellent performance and peripheral equipments required less. Its main features are: output level by the push-pull output, double channel output, occupies emptiescompared to 0-50% adjustable, each channel drive curr

25、ent imum of 200mA, irrigation pull current peak can reach 500mA. Direct drive power MOS tube, the work high frequency 400KHz, have undervoltage lock, over-voltage protection and soft start, and other functions. This circuit voltage sources by benchmark, oscillators, error amplifiers, PWM comparator

26、and latches, points phase detectors, undervoltage locking output driver stage, soft start-up and shut off the circuit etc, can working temperature range is 0-700 . Benchmark voltage of 5.1 V and 1%, working voltage range is very wide, for 8V to 35V. Because 316J HCPL - with fast switching speed 500n

27、s, light isolation, fault state feedback, can configure automatic reset, shut down automatically, and other functions, so choose the driver as IGBT. Its internal integration collector - emitter voltage UGE owe saturated detection circuit and fault state feedback circuit. HCPL316J is a simple intelli

28、gent drive chip. Users can according to need flexible setup high-level input and high level output and low-level input and high level output input modes, automatic reset or by controlling reset, fault of automatic shutoff, light coupling isolation, CMOS/TTL level compatible, integration, refund satu

29、ration voltage detection hysteresis low voltage atresia UVLO, soft shutoff IGBT technology and the isolation of fault feedback signal. IGBT drive current largest screens can reach 2. 5 A, imum driving current 150 A, 1 200 V, imum switching speed of 500 ns, more wide working voltage range is 15 30 V

30、This graduate, analyses the working principle of induction heater, choosing the appropriate solutions and design the circuit diagram of medium frequency induction heater, design the system control and drive circuit of the system, complete the circuit design production, written design elucidation sai

31、d a, design the circuit diagram large drawings severalKey words:Induction heating power supply; series resonance;inverse circuit;IGBT1 緒論 感應(yīng)加熱具有加熱效率高、速度快、可控性好及易于實(shí)現(xiàn)自動化等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于金屬熔煉、透熱、熱處理和焊接等工業(yè)生產(chǎn)過程中,成為冶金、國防、機(jī)械加工等部門及鑄、鍛和船舶、飛機(jī)、汽車制造業(yè)等不可缺少的技術(shù)手段。1.1 感應(yīng)加熱器的發(fā)展 使用加熱的手段使?fàn)t膛中的爐料加熱、熔化,并將液態(tài)金屬再加熱到所需溫度,這就是熔煉。熔煉廣泛應(yīng)用

32、于金屬冶煉和鑄造領(lǐng)域。感應(yīng)加熱技術(shù)誕生以前,都是使用煤氣或石油為能源的裝置來加熱熔化金屬。1890年瑞典人發(fā)明了第1臺感應(yīng)熔煉爐?開槽式有芯爐,1916年美國人制造出閉槽式有芯爐,用于有色金屬的冶煉。工頻爐產(chǎn)生于20世紀(jì)30年代,1921年無芯爐在美國出現(xiàn),采用火花式中頻電源,后來出現(xiàn)了中頻機(jī)組電源和現(xiàn)在的晶閘管變頻電源。 在我國,一個(gè)時(shí)期以來,感應(yīng)熔煉爐得到迅速發(fā)展,在電力充足的情況下,日漸取代沖天爐。目前,無芯工頻感應(yīng)爐容量已達(dá)110 t,有芯工頻感應(yīng)爐容量則高達(dá)270 t。近年來,中頻感應(yīng)爐的發(fā)展及其所呈現(xiàn)的優(yōu)越性,給鑄造領(lǐng)域的生產(chǎn)注入了新的活力。 目前,在鑄造生產(chǎn)中應(yīng)用最多最普遍的感應(yīng)

33、熔煉爐有工頻感應(yīng)爐和中頻感應(yīng)爐。工頻感應(yīng)電源在給熔煉爐送電時(shí),有如下缺點(diǎn): 1 冷爐啟動時(shí),爐內(nèi)需加入金屬塊,生產(chǎn)不夠靈活; 2 熔煉爐在加熱和熔化金屬時(shí),爐料翻騰劇烈,對爐壁沖刷嚴(yán)重,爐襯使用壽命短。 3 工頻感應(yīng)爐熔化冷料速度慢、不利于造渣; 4 工頻感應(yīng)電源功率因數(shù)低,需配置大量補(bǔ)償電容器,也增加了占地面積和設(shè)備投資。 所以,目前工頻感應(yīng)熔煉爐向大容量發(fā)展己基本停止。 現(xiàn)階段中頻感應(yīng)爐的發(fā)展令人矚目。與工頻爐相比中頻感應(yīng)熔煉爐的電效率和熱效率高、熔煉時(shí)間短、省電、占地面積較少、投資較低,易于實(shí)現(xiàn)過程自動化和具有生產(chǎn)靈活性。中頻爐對爐料的適應(yīng)性較強(qiáng),爐料的品種和塊度可在較寬的范圍內(nèi)變動。更

34、適合熔煉鑄鐵,特別適合熔煉合金鑄鐵、球墨鑄鐵和蠕墨鑄鐵。另外,中頻感應(yīng)爐的熔化率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了工頻感應(yīng)爐,所以在鑄鐵生產(chǎn)領(lǐng)域中頻感應(yīng)熔煉爐正在逐步取代工頻感應(yīng)熔煉爐。 中頻熔煉爐的發(fā)展得益于感應(yīng)加熱電源技術(shù)的發(fā)展。感應(yīng)加熱用中頻電源技術(shù)是通過晶閘管或MOSFET或IGBT等電力半導(dǎo)體器件將工頻50Hz變換為中頻200Hz-200kHz的技術(shù)。初期使用的機(jī)械式中頻發(fā)電機(jī)電源,效率低70%85%,己被逐步淘汰出感應(yīng)加熱范圍,取而代之的是晶閘管中頻電源。晶閘管電源由于它的效率高、無污染、耐沖擊、尺寸小等優(yōu)點(diǎn),適用范圍大大擴(kuò)展。80年代發(fā)展起來的新型感應(yīng)加熱電路IGBT Insulated Gate Bi

35、polar Transistor雙極晶體管門電路,由于將MOSFET和GTR兩者優(yōu)點(diǎn)集于一身,因此發(fā)展很快,比晶閘管電源更節(jié)約能源10%,調(diào)節(jié)性能好,近年有取代部分晶閘管電源的趨勢。隨著功率器件向大容量化、高頻化發(fā)展,必將帶動感應(yīng)加熱電源的發(fā)展,目前,中頻電源的效率已高達(dá)95%-98%。作為感應(yīng)爐使用的變頻器額定功率不斷提高,近來,9000kW變頻器已投產(chǎn),極大的提高了鑄鐵的生產(chǎn)能力。 另外,中頻感應(yīng)爐的1個(gè)獨(dú)特發(fā)展是用1套供電系統(tǒng)向2臺爐子供電,采用這種電源可同時(shí)向1臺爐子輸送熔化功率,向另1臺爐子輸送保溫功率,使電源利用率達(dá)到100%。 目前,中頻感應(yīng)爐采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),自動化程度較高。

36、因?yàn)閷τ诖蠊β手蓄l感應(yīng)爐,熔化期非常短、過熱率非常大,只有采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)才能發(fā)揮設(shè)備潛力,才能對工廠和操作人員提供最有效的保護(hù)。25-30/min速率過熱熔化爐料的爐子,在滿功率狀態(tài)幾分鐘無人看管,很可能造成災(zāi)難性事故。目前,大型中頻感應(yīng)爐已裝備了比較完整的計(jì)算機(jī)輔助監(jiān)視和控制系統(tǒng),其主要內(nèi)容包括: 1 當(dāng)爐子坩堝中金屬液達(dá)到預(yù)編程溫度時(shí),保證自動降低爐子功率; 2 爐子固定在測重儀上,測重儀為計(jì)算機(jī)提供爐子里金屬爐料的質(zhì)量數(shù)據(jù); 3 監(jiān)測、計(jì)算和控制金屬液溫度; 4 為新爐襯提供自動燒結(jié)程序; 5 確定達(dá)到要求的合金液體成分所需要的碳、硅及其他添加元素的數(shù)量; 6 包括1臺自動冷啟動裝置

37、在內(nèi)的其他有用的必要的功能。 熔化處理系統(tǒng)能夠?qū)﹄娫春蜖t體進(jìn)行全面自診斷,如果非正常狀態(tài)就會啟動系統(tǒng)報(bào)警。1.2感應(yīng)加熱的工作原理 感應(yīng)加熱是采用加熱線圈通高頻電流產(chǎn)生的磁力線集中在被加熱物上、由電磁的感應(yīng)作用,產(chǎn)生渦旋電流,將被加熱物加熱。通過在一個(gè)導(dǎo)體中產(chǎn)生電流來工作的。 首先,一個(gè)銅線圈(通常是螺線管,但不完全),在它內(nèi)部有一個(gè)大的,時(shí)變的電流,這個(gè)電流通過加在線圈上的時(shí)變電壓產(chǎn)生(通常是通過施加正弦波的形式)。 然后此電流會創(chuàng)建一個(gè)隨時(shí)間變化的磁場(對于螺線圈來說,),這將產(chǎn)生一個(gè)時(shí)變的磁通()。 如果一個(gè)導(dǎo)體放在磁場中,那么它周圍就會產(chǎn)生電壓。()。 如果導(dǎo)體是個(gè)閉環(huán),感應(yīng)電壓會在導(dǎo)

38、體的外部產(chǎn)生循環(huán)的電流。 (式1.2?1) 由于這是一個(gè)交流系統(tǒng),肯定會有阻抗的補(bǔ)償:如果是直流系統(tǒng),磁通變化率()將會是0,所以就不會有感應(yīng)電流產(chǎn)生。 最后,這個(gè)產(chǎn)生的電流會在工件中產(chǎn)生的損失,可以有效地使這種加熱途徑成為一種電阻加熱方法,(也就是圍繞著鋼坯而不是順沿著鋼坯)。 通過考慮在管狀金屬薄片中的電流流量,已經(jīng)知道了感應(yīng)加熱工作的基本原理,我們將要觀察的是當(dāng)感應(yīng)加熱一個(gè)固體工件時(shí)的感應(yīng)電流。 這個(gè)問題的答案是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的數(shù)學(xué)問題,并且深入的研究它會很浪費(fèi)時(shí)間。因此,我將提供一個(gè)簡單的描述,來告訴你磁場以及電流是怎么樣在要加熱的材料上工作的,之后便是解析答案。這種方法就避免了矢量積分

39、,貝塞爾函數(shù)等復(fù)雜問題。 為了避免討論磁通的返回路徑和最終影響,我們把一個(gè)半無限大的平板作為加熱對象,只是通過在它上面的無限大的電流來加熱它。這個(gè)圖表示的是無限部分中有限的一部分。代表工作頭的電流層左右(x方向)、前后(z方向)無限延伸。在y方向上沒有占用所有的空間。 代表工件的半無限大的平板在z方向和x方向上也是無限延伸的,但在y方向上是從0到負(fù)無窮。 為了觀察電流的去向,我們可以把這個(gè)同性質(zhì)的平板分割成一系列的薄片。 先考慮頂層。它有一個(gè)隨時(shí)間變化的磁場,作用在它上面的是。這也會產(chǎn)生一個(gè)大小為的電流密度。這個(gè)相位移動(滯后)是由于頂層產(chǎn)生的電磁場和流過它的電流引起的自感產(chǎn)生的。 在平板中的

40、電流密度會產(chǎn)生一個(gè)相反的磁場,記為。平板的阻抗和自感應(yīng)會減弱電流的作用,并且加強(qiáng)磁場,所以小于。 現(xiàn)在考慮下面的部分。這個(gè)部分可以看做是+的矢量和,是一個(gè)弱磁場。在它內(nèi)部會產(chǎn)生一個(gè)減弱了的電流密度。這個(gè)衰減的電流密度產(chǎn)生一個(gè)磁場。 下面的第三層是一個(gè)由、和適量合成的磁場,也就是一個(gè)進(jìn)一步衰減的磁場,它會產(chǎn)生一個(gè)更小的電流密度,而且隨著y軸的延伸磁場會越來越弱。 這種效應(yīng),也就是表面效應(yīng),意味著磁場或是加熱的影響集中在工件的表面。 由此可見,讓每層薄片的厚度趨于0,并通過解差分方程,可列在x方向的磁場,z方向的電流和x方向的磁通表達(dá)式如下: (式1.2?2) 也就是他們都是這種形式的: (式1.

41、2?3) 這是一個(gè)相位可變的周期震蕩函數(shù)和一個(gè)指數(shù)衰減函數(shù)的乘積。 周期震蕩函數(shù)(注意是可變相位)。 這里假設(shè)流經(jīng)銅線圈的地電流時(shí)正弦的。一般來講,這是一種小小失真的情況。當(dāng)討論到如何將銅線圈連接到勵磁電路時(shí),我們會更清楚產(chǎn)生這種情況的原因。 這些條件只適用于半無限板,所以他們不能直接應(yīng)用。然而,他們很簡單,而且大多數(shù)電磁加熱理論是基于他們的。 方程的最重要部分是條件。這是表面的縱深,或是穿透的深度,是電流值下降到表面值1/e的深度。 (式1.2?4) 通過對穿透深度方程的觀察,可以看出,加熱深度是電阻率、滲透率和頻率的函數(shù)。由于工件的電阻率和滲透率是由工件自己決定的,所以控制電流滲透到工件深

42、度的唯一方法就是改變頻率。這就是為什么感應(yīng)加熱系統(tǒng)分為三個(gè)不同的頻段: 主頻?用于加熱大的金屬工件(氣缸等) 中頻?用于加熱小一點(diǎn)的鋼坯和鋼帶?15mm以下 射頻?用于表面加熱或是非常小的工件。 盡管在射頻磁場下電流可以產(chǎn)生到材料的表面,但是射頻感應(yīng)加熱器也能用于加熱,它可以通過熱傳導(dǎo)來加熱材料。這就限制了材料加熱的速率,而且過高的能量會使表面融化但里面才剛剛溫和。 另一個(gè)在方程要注意的是在震蕩期間的相移。由于y方向位置的下降,電流、H場和磁通會變得更加遲緩。 在平板中的總電流(每單位長度)可以通過對電流密度從表面到負(fù)無窮的積分得到,考慮到半無限軸,y。 電流密度已被定義為: (式1.2?5)

43、 是表面的電流密度。隨著深度變化的電流相移會對積分有影響,其計(jì)算結(jié)果為: (式1.2?6) 這個(gè)總電流,我可以認(rèn)為是流經(jīng)1個(gè)表面厚度的電流。因此,隨著半無限平板的延伸,我們可以把y方向變成一個(gè)載有總電流的、厚度為的電流層。 這只是一個(gè)定義,但是它相當(dāng)?shù)挠杏谩?最重要的一點(diǎn)是它允許定義表面的能量密度,而且從它可以得到一個(gè)等效電路。 到目前為止,我們已經(jīng)得到了工件中的總電流,并且闡述了這個(gè)總電流可以一律地集中在材料的外表面。 (式1.2?7) 如果這是正確的,那么表面的能量密度就能得到,通過公式。 所以,對于一個(gè)表面積是1m1m的區(qū)域來說, (式1.2?8) 所以,用, (式1.2?9) 現(xiàn)在,我

44、們已經(jīng)知道工件的功率是工件表面電流的函數(shù),但這還沒有和感應(yīng)加熱真正的聯(lián)系到一起:能量石通過磁場提供的,而不是直接相連的。 為了把能量和銅線圈聯(lián)系起來,還要考慮一個(gè)長的螺線管。 銅線圈中總電流密度等于線圈電流乘以匝數(shù)再除以線圈長度。 (式1.2?10) 我們可以用上式替換功率中的,得到 (式1.2?11) 由此,我們可知功率和長螺線管中銅線圈的電流有關(guān)。如果我們考慮螺線管中磁場 (式1.2?12) 這是和表面電流密度相等的。因此將替換到功率的公式中,得 (式1.2?13) 符號RMS代表磁場的均方根值。(式1.2?14) 為了表明工件性質(zhì)對表面功率的影響,現(xiàn)在列出三個(gè)例子,每個(gè)都通有相同的磁場(

45、)和頻率(50Hz),但是滲透率和電阻系數(shù)不同。 第一個(gè)例子是在室溫下的軟鋼(低碳鋼)。這種鋼材低于居里點(diǎn)(720攝氏度),在這一點(diǎn)鐵磁性質(zhì)會失效,因此磁鐵不會吸附在它上面。這意味著低碳鋼的相對滲透率比較高。電氣工程師會注意到這種鋼材的滲透率比你期望的要低的多,通常要超過1000。 這種差異可以解釋為把給定的看做是一個(gè)大信號量,把期望的看做是一個(gè)小信號量。如果期望的(1000)被代入到公式中,就可以得到 (式1.2?15) 在鋼材的表面,磁場只有2T就能使鋼材飽和。飽和的影響會減少增加的滲透率。 考慮到這種飽和作用,有效的相對滲透率將會降低?也就是說大信號的增加的滲透率被挪用了。20到50之間

46、的有效值經(jīng)常被應(yīng)用到鋼材的低頻感應(yīng)加熱領(lǐng)域。 不論如何,為了得到表面功率,我們首先需要找到電流的滲透深度 (式1.2?16) 替換表面深度到表面功率公式中 (式1.2?17) 要注意在到熱鋼比冷鋼有更深的電流滲透度,這是由電阻系數(shù)的增加和在居里點(diǎn)滲透率的快速減少引起的。 盡管熱鋼的電阻系數(shù)是冷鋼的5倍多,但在鋼中的損失卻低很多,因?yàn)槠渲杏谐^16倍的電流流過。記住材料中的總電流只是H場的函數(shù),所以電流時(shí)相同的。阻抗等于電阻系數(shù)乘以長度除以面積,所以如果滲透深度更小了,那么阻抗和損失就會更高。 由此可以看出,在固定的磁場強(qiáng)度下,鋼材在居里點(diǎn)以下比在居里點(diǎn)以上會被加熱的更快。 這是一個(gè)普遍的結(jié)論,

47、在制作一個(gè)感應(yīng)加熱系統(tǒng)時(shí)是應(yīng)該考慮的。 現(xiàn)在我們來看銅的負(fù)載,它的穿透深度是冷鋼的兩倍多。盡管導(dǎo)體的面積是相同的,但是銅材每單位面積上的有效阻抗比冷鋼小的多。由此可見在相同的磁場強(qiáng)度下,銅材的損失相對要小一些。當(dāng)感應(yīng)加熱銅時(shí),這可能會導(dǎo)致問題的出現(xiàn)。 從另一方面說,如果這個(gè)H場源(也就是工作頭)也被看做是一個(gè)半無限平板,始于工件半無限板結(jié)束的地方,那么對它的分析和對工件的分析一樣是有效的。 由于在負(fù)載板表面的H場和場源板的表面的H場是等效的,所以前面的計(jì)算均有效。 (式1.2?18) 在同一磁場強(qiáng)度下,在居里點(diǎn)以上或以下加熱鋼材的相對效率都可以計(jì)算出來。 效率加熱到負(fù)載的熱量/總熱量 總熱量-

48、加熱到負(fù)載的熱量+加熱到工作頭的熱量 理論上的效率值為: 冷鋼 熱鋼89% 冷銅50% 這些值是在假設(shè)工件的長和寬與工作頭的長寬相等的條件下計(jì)算出來的。事實(shí)上,一個(gè)實(shí)際的工件的寬可能和實(shí)際工作頭的寬相等,但工作頭的長度必須要長一些,因?yàn)樗菄@在工件周圍的。因此效率要比計(jì)算出來的要低。 把表面深的的公式代入表面功率的公式中,把之后得到的式子代入到效率的計(jì)算公式中,把工作頭和工件均考慮進(jìn)去,最后可得出最接近的效率公式: (式1.2?19) 很容易得到如下結(jié)論:如果要有效地加熱,你需要高導(dǎo)的銅線圈,和高電阻的工件,如果工件具有較高的滲透性,那么效率還能得到提高。 當(dāng)然,這里運(yùn)用了很多假設(shè),至少這個(gè)

49、半無限平板模型是:這一結(jié)果表明,你可以感應(yīng)加熱空氣(電阻無限大)效率達(dá)100%。這顯然并非如此。 此外,此分析假設(shè)工作頭是同一性質(zhì)的電流層,而不是有絕緣層分開的一系列不相關(guān)的回轉(zhuǎn)。這就意味著流經(jīng)工作頭的電流會減少,局部的電流密度會更高,損耗也會增加。這是由于實(shí)際工作頭電流路徑的長度比實(shí)際工件電流路徑的長度更長而造成的。 為了建立一個(gè)工作頭和工件更好的模型(其中這個(gè)模型包括阻抗的損耗),我們可以通過考慮磁通量來建立一個(gè)等效的電路。 我們首先要通過工件中的磁通量得到工件中的電磁場。 如果我們從磁通密度開始的話,那么,一般形式為: (式1.2?20) 在這里,你可以改變材料的幅度和相位。 如果假設(shè)材

50、料是線性的,那么 (式1.2?21) 然后就可以用代替,并能夠把磁通密度和所應(yīng)用的H場聯(lián)系起來。 磁通密度是空間磁通的變化率,由此可得到工件中的磁通,所以磁通就是空間磁通密度的積分。 所以,工件中的總磁通可以通過對半無限平板厚度的磁通密度的積分得到。 (式1.2?22) (注意和總電流的相似度) 有基本的電磁場定義可知,在銅線圈中的電磁場等于匝數(shù)乘以銅線圈中磁通隨時(shí)間的變化率。 (式1.2?23) 當(dāng)然,工件中的N1,但是我們能通過把匝數(shù)代入到N中得到電壓值。 所以,為了區(qū)別隨時(shí)間變化的總磁通,再乘以銅線圈的匝數(shù),可以得到關(guān)于工件中磁通的感應(yīng)電壓為 (式1.2?24) 或者是用余弦的形式 (式

51、1.2?25) 也就是說電壓會與H場有45度的相移。如果我們假設(shè)一個(gè)長螺線管中,把H帶進(jìn)去得到: (式1.2?26) 也就是說電壓導(dǎo)致電流增加了45度,更通俗地講,電流滯后電壓45度。 如果我們用這種形式 (式1.2?27) 是功率因數(shù),可以看出這個(gè)工件的功率因數(shù)是,或是。 如果E和I是復(fù)雜的交流信號而不是目前所用的信號,我們可以得到電磁感應(yīng)電壓如下: (式1.2?28) 如果我們用歐姆定律的形式考慮此式,通過銅線圈的終端,可以得到工件的阻抗為 (式1.2?29) 可以得到相同的電阻和電抗:,(式1.2?30) 更進(jìn)一步,如果我們考慮電感的電抗 這個(gè)電抗可以表達(dá)為一個(gè)等效的電感 (式1.2?31) 這個(gè)等效電路可以用來分析被螺線管緊緊圍繞的大的圓柱體(d20)。 (式1.2?32) 是圍繞在工件周圍通電路徑的長度。 同樣地,(式1.2?33) 由于銅線圈可以近似為一個(gè)半無限平板,導(dǎo)體的厚度是電流表面深度的10倍,所以可以用同樣的方式來定義等效電路的元器件