感應(yīng)加熱電源原理及其負(fù)載變壓器結(jié)構(gòu)制作

1、感應(yīng)加熱電源原理及其負(fù)載變壓器結(jié)構(gòu)制作1感應(yīng)加熱的原理1.1電磁感應(yīng)和感應(yīng)加熱罔里于中的金劇感應(yīng)加熱是電熱應(yīng)用的一種較好形式， 它是利用電磁感應(yīng)的原理將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋?當(dāng)交變電流Ii流入感應(yīng)圈時，感應(yīng)圈內(nèi)便產(chǎn)生交變磁通札使置于感應(yīng)圈中的工件（圖1中為鋼管）受到電磁感應(yīng)而產(chǎn)生感應(yīng)電勢e。出如果磁通©是呈正弦變化的，即 © =© Ms in 3則,一處一喚的有效值E=4.44f © M伏）感應(yīng)電勢E在工件中產(chǎn)生電流i2 , i2使工件內(nèi)部（確切地說，是工件近表面的電流透入深度層）開始加熱，其焦耳熱為：（?-O.24ZjRt式中：12感應(yīng)電流的有效值（安）；

2、R工作電阻（歐）；t時間（秒）。為了使金屬能加熱到一定溫度，在金屬內(nèi)必須有足夠大的電流12，為此在金屬內(nèi)必須感應(yīng)出足夠大的電勢 E。由于感應(yīng)電勢E與磁通©M、頻率f成正比，為了獲得必 須的感應(yīng)電勢，可以提高電源頻率。同樣的發(fā)熱效果，頻率越高，所需的磁通©M及感應(yīng)圈中的電流11就可以減小，所以近代的感應(yīng)加熱廣泛采用中頻和高頻電源。 另外，金屬截面越大，那么在同樣磁通密度的情況下，通過金屬的©也就越大，于是感應(yīng)電勢E以及金屬內(nèi)感應(yīng)得到的功率也越大。a-轉(zhuǎn)金斗尬點丸摳應(yīng)也i昭曉p riIt* ?taarH¥ >4i：'KMTRO!強TWO!4W

3、HlO1nIS-st電*a ha |i©科訶ftIN4 11 ItQjH旳*wI H0 HDIMMWftWIM12DJh0210 1?D 1170晦a 032t-maj20Tl.-ta .41D2MD.£1lo.l &低11.2電磁感應(yīng)的三個效應(yīng)（1）集膚效應(yīng)：直流電流流經(jīng)導(dǎo)體時，電流在導(dǎo)體截面上是均勻分布的，但交流電 流流經(jīng)導(dǎo)體時，電流沿導(dǎo)體截面的分布是不均勻的，最大電流密度出現(xiàn)在導(dǎo)體的表 面層。這種電流集聚于表面的現(xiàn)像叫做集膚效應(yīng)。電流頻率越高，集膚效應(yīng)也越顯著。以上是導(dǎo)體本身通過交變電流時，電流在導(dǎo)體 中產(chǎn)生的集膚現(xiàn)象。另一種情況是導(dǎo)體在交變的電磁場中，也就是

4、置于感應(yīng)圈中的 工件。由于感應(yīng)圈的中間產(chǎn)生交變的電磁場，使工件中產(chǎn)生的渦流也是交變電流， 它沿截面的分布也是集聚在表面一層。由電磁場理論知道，電流密度是由表面向中心近似地按一指數(shù)函數(shù)迅速下降。其電 流透入深度其中：P導(dǎo)體或工件的電阻率（歐 厘米）口 r相對磁導(dǎo)率f頻率（Hz）在層中所產(chǎn)生的熱量為導(dǎo)體中總功率的0.865。在交變磁場中的導(dǎo)體，由電磁感應(yīng)產(chǎn)生的渦流密度的分布隨著頻率的降低也有向?qū)?體內(nèi)部擴張的趨勢。但無論在怎樣低的頻率下，也得不到均勻分布的電流，其中心 線上的電流密度始終為零。電流透入深度的概念，只有在頻率足夠高時才有其物理 意義。圖2鄰近效應(yīng)（2）鄰近效應(yīng)：相鄰兩導(dǎo)體通以交流電流

5、時， 在相互影響下導(dǎo)體中的電流要重新分 布，當(dāng)兩電流方向相反時，電流聚于導(dǎo)體內(nèi)側(cè)；方向相同時，電流被排于導(dǎo)體外側(cè)（如圖2所示）。鄰近效應(yīng)可簡單解釋如下：假如在任何瞬間兩平行導(dǎo)體中的電流方向相反時（圖2a），在導(dǎo)體之間由兩電流所建立的磁場方向相同，總磁場增大，而兩導(dǎo)體外側(cè)的磁場卻減弱。兩導(dǎo)體之間的磁 通不僅通過空氣，而且也通過導(dǎo)體內(nèi)部。顯然導(dǎo)體外側(cè)比內(nèi)側(cè)交鏈較多的磁通，因 而導(dǎo)體外側(cè)的電感和阻抗較內(nèi)側(cè)為大。因此導(dǎo)體外側(cè)電流密度較內(nèi)側(cè)為小。當(dāng)兩平行導(dǎo)體中的電流方向相同時，用同樣的方法可得出導(dǎo)體外側(cè)電流密度較內(nèi)側(cè) 為大。且圖3環(huán)形導(dǎo)體中的電號分布（3）圓環(huán)效應(yīng)：若將交流電流通過圓環(huán)形螺管線圈時，則最

6、大電流密度出現(xiàn)在線圈導(dǎo)體的內(nèi)側(cè)（圖3），這種現(xiàn)象叫做圓環(huán)效應(yīng)。導(dǎo)體的徑向厚度直徑之比越大，這咱 效應(yīng)就越顯著。通常磁力線在環(huán)內(nèi)集中，在環(huán)外分散，一部分磁力線穿過導(dǎo)體本身, 因此導(dǎo)體的外側(cè)比內(nèi)側(cè)交鏈較多的磁通，這樣導(dǎo)體外側(cè)的電感和阻抗較內(nèi)側(cè)為大， 電流向內(nèi)側(cè)集聚。少）圖4感應(yīng)器與爐料中的電流密度分布，一感應(yīng)圈；2 -爐料感應(yīng)電爐即是對這幾種效應(yīng)的綜合利用。在感應(yīng)器中置以爐料（見圖4a）,在感應(yīng)器兩端施加交流電壓，即產(chǎn)生交變磁場。此時感應(yīng)器本身表現(xiàn)為圓環(huán)效應(yīng)，感應(yīng)器 與爐料間即為鄰近效應(yīng)，而爐料本身表現(xiàn)為集膚效應(yīng)。感應(yīng)器和爐料中的電流密度（5）分布如圖4b所示。1.3加熱過程中金屬物理性質(zhì)的變化在

7、加熱過程中，金屬材料的電阻率 p和磁導(dǎo)率都是變化的。它們對金屬中電流密 度分布的影響很大。電流透入深度將隨著p 口的變化而改變。圖5 45號碳鋼相對電阻率，相對導(dǎo)磁率與溫度的關(guān)系曲線當(dāng)磁場強度一定時，鋼的磁導(dǎo)率隨著溫度的升高而下降。開始時下降得很緩慢，一 般可忽略不計。當(dāng)溫度達(dá)居里溫度時，便急劇下降到相對磁導(dǎo)率為1 （如圖5所示）， 所以高溫時，電流透入深度會增加很多。在居里點以前，鐵磁特質(zhì)的B-H曲線是非線性的，相對磁導(dǎo)率 口與磁場強度有關(guān)。感應(yīng)加熱由于采用非常強的磁場，磁路相 當(dāng)飽和，因此磁導(dǎo)率的起始值一般較低，約為16,有時甚至更低。表二 不同溫度下幾種金屬的電阻率P（xio-sa米）金

8、屬2030100200300溫400S00600度(t)7008009001000鋼202S33S279118122鋁2.663.865.9639.6銅1.841.912.43.124.85.7689 6電阻率p代表材料的導(dǎo)電性能。在不同溫度下，幾種金屬的電阻率p可見表2所列。圖5中示出常溫時45號鋼的電阻率為2X10-5歐 厘米；當(dāng)溫度升到800900C，電 阻率約增加到10-4歐厘米；溫度再繼續(xù)上升，電阻率也基本上維持等于這一數(shù)值， 不再改變。2高頻變壓器在此介紹一臺240kW高頻感應(yīng)加熱電源的方框圖及其高頻變壓器的有關(guān)設(shè)計。本電源采用的是串聯(lián)補償IGBT全控逆變電源，在其變壓器的輸出端，

9、只要配用不 同的感應(yīng)圈，就可以用于加熱鋼管、焊接、熔煉、熱處理等。電源工作時，負(fù)載即 工件放在感應(yīng)圈內(nèi)，通過高頻變壓器實現(xiàn)負(fù)載與電源的匹配。圖6 240kW高頻逆變電源主回路方框圖1 一一感應(yīng)圈;2 一一工件（鋼管2.1高頻變壓器的特點（1） 加熱電源的工作頻率很高，由于導(dǎo)體、導(dǎo)線的集膚效應(yīng)、鄰近效應(yīng)、圓環(huán)效應(yīng), 使導(dǎo)體截面上的電流密度分布不均勻，導(dǎo)體有效截面積減小。（2）鐵芯的高頻磁滯損耗、渦流損耗較大，其發(fā)熱量較大，需要用強迫冷卻方式。（3）對不同的負(fù)載及工藝要求，在設(shè)計變壓器時應(yīng)考慮其工作暫載率。2.2 240kW變壓器的技術(shù)指標(biāo)（1）額定輸出功率：240kW（2）頻率調(diào)節(jié)范圍：20kH

10、z100kHz 長期工作頻率：600kHz（3）初級輸入電壓：4000V（4） 次級輸出電壓和電流：200V、1200A 2.3變壓器的有關(guān)數(shù)據(jù)（1）鐵心：鐵氧體 EE130,共用2付(2) 初級線徑和圈數(shù)：雙玻璃絲包扁線 SBEBX3刈股疊繞 共20圈 次級線徑和圈數(shù)：1mm厚紫銅板65mm寬 共1圈E；xlOs(3) 60kHz時的B值=2406GS4000 xlO84.44聲口時444x60xl03x3.9x 4.0x2x20(4) 初級電流密度血丄.畑卅、 卞次級電流密度S21200=18A6A/mm21x65感應(yīng)圈電流密度12001200=54.57 A/mm22.4感應(yīng)圈感應(yīng)圈和被

11、加熱鋼管是高頻變壓器的負(fù)載，但同時又組成另一只變壓器，其中感應(yīng) 圈為初級，鋼管本身既是該變壓器的鐵芯，又是該變壓器的次級，次級是單匝的， 而且是短路的。當(dāng)超過居里點溫度時，鐵磁材料失去磁性，成為一個空心變壓器。感應(yīng)圈一般是由紫銅管制成單匝或多匝的線圈，其尺寸和匝數(shù)還直接影響電源負(fù)載 阻抗的大小。因此必須根據(jù)負(fù)載阻抗和高頻電源的匹配以及電源起動的能力，修正 感應(yīng)圈的幾何尺寸和匝數(shù)。鋼管和感圈之間必須留有一定的間隙。為了提高傳遞效率，盡可能縮小間隙。一般 取單側(cè)間隙為315毫米。管徑越大，間隙可取大些。感應(yīng)圈的寬度與被加熱鋼管的壁厚、彎制時所要求的內(nèi)外壁溫差、電源頻率及加熱 時間有關(guān)。當(dāng)感應(yīng)圈寬度

12、增加時，鋼管被加熱的紅區(qū)加寬，內(nèi)外壁溫差減小。但紅 區(qū)加寬使彎頭橢圓度增加；當(dāng)感應(yīng)圈寬度減小時，加熱紅區(qū)雖然變窄，但內(nèi)外壁溫 差加大。因此，感應(yīng)圈寬應(yīng)根據(jù)鋼管的壁厚、彎制速度和允許內(nèi)外壁溫差，結(jié)合加 熱頻率等因素綜合選擇。一般?。篵=1.52.5 3式中：b感應(yīng)圈寬度3鋼管壁厚2.5耐壓絕緣本變壓器初級為4000V，耐壓絕緣較為簡單，用環(huán)氧灌封起來就可以了，具體如下: 底筒尺寸：1mm環(huán)氧板搭成，內(nèi)檔窗口冷高為43X100X76的底筒。灌注后尺寸：窗口內(nèi)檔尺寸40刈8繞線寬度82窗口外檔尺寸 70X138繞線寬度82初級線包居中，各邊灌有 3mm左右環(huán)氧絕緣層。2.6循環(huán)水冷卻系統(tǒng)的設(shè)計感應(yīng)圈

13、是鋼管的加熱環(huán)，在感應(yīng)圈中通過的中高頻電流極大，電流密度高達(dá)54.57A/mm2，同時了為縮小變壓器的體積，次級繞組的電流密度也達(dá)到 18.46A/mm2。為此循環(huán)水冷卻系統(tǒng)成為本變壓器的重點解決的問題。從鐵芯開始到 次級繞組，再到負(fù)載感應(yīng)圈，由©8由©8紫銅管組成一個冷卻的循環(huán)系統(tǒng)，把磁路和電路在工作中產(chǎn)生的熱量有效地傳遞出去。在每段紫銅管之間，塑料軟管通過©8雙向銅接頭可靠焊接或緊密連接在一起，形成一個循環(huán)。(1)磁心冷卻：圖7 E形磁心上的冷卻1-E形磁心；2. 3- ft熱片；4 -冷卻管在每個E形磁心上面騎夾垂直各一塊散熱片，再在散熱片上焊接彎形冷卻管，

14、見圖7所示。散熱片和冷卻管分別由導(dǎo)熱性能好的1mm紫銅板和©8紫銅管制成。銅管的兩頭仍為©8管，其余部分敲成7mm扁孔狀，便于用焊錫可靠焊接在散熱銅板上。磁心產(chǎn)生的熱量，通過涂有導(dǎo)熱性是普通絕緣硅三倍的導(dǎo)熱絕緣硅脂HZ-SK101層傳遞到散熱片，再轉(zhuǎn)到冷卻管路，由冷卻管路中的水流將熱量帶走。應(yīng)該注意的是，避免上述導(dǎo)電材料在鐵心周圍形成閉合回路。(2)次級繞組冷卻：圖8次級繞組和褂卻1-紫銅板制成1匝的次圾；2-U形紫銅管；3-銅管；4-黃銅輸岀空心接頭用1mm紫銅板在已灌注環(huán)氧的初級繞組的外面圍成 1圈的次級繞組。在窗口位置的 兩側(cè)的紫銅板上各焊接一根由 ©8紫銅

15、管變成的U型冷卻管，銅管的兩頭仍為©8管, 其余部分敲成7mm扁孔狀，便于可靠焊接在次級側(cè)面的銅板上，見圖 8所示。(3)次級引出端的處理與冷卻在次極兩引出端各 包”并 焊”一根©8紫銅管，管的下端分別與空心黃銅輸出接頭用 銅電焊繞牢(因該點周圍的電流密度高度集中，若用錫焊接不可靠)相接通，見圖 8所示?？招狞S銅輸出接頭工作時，將與負(fù)載感應(yīng)圈相連接。從上各冷卻紫銅管的引出端上分別與一只 ©8的雙向銅管接頭焊接，銅管接頭的另一 端通過©8塑料軟管與其他紫銅管上的另一只雙向銅管接頭相連接， 組成一個通水循 環(huán)系統(tǒng)。圖9循環(huán)冷卻系統(tǒng)該冷卻循環(huán)系統(tǒng)的鏈接：由下面一個 E磁心開始f上面一個E磁心f旁邊