次級串聯(lián)諧振感應電源加熱研究

感應加熱電源具有污染小、效率高、加熱快速、控制方便、生產(chǎn)安全等多方面的優(yōu)點，在黑色金屬熱處理領域中被廣泛應用?；诟袘訜犭娫吹囊陨蟽?yōu)點，感應加熱熱處理工藝正在被引入到有色金屬熱處理工業(yè)生產(chǎn)中去，但是又由于有色金屬通常磁導率低不易被感應加熱，所以在電源的設計方面又會出現(xiàn)一些問題。

  本文著重以次級串聯(lián)諧振感應加熱電源為研究對象，通過初級串聯(lián)諧振拓撲結構與次級串聯(lián)諧振拓撲結構的對比分析，從理論上推導出在有色金屬感應加熱應用中次級串聯(lián)諧振拓撲結構的優(yōu)點所在，得出結論次級串聯(lián)諧振拓撲結構更加適合應用于有色金屬感應加熱電源中。

感應加熱基本原理

  感應加熱原理是以焦耳定律和法拉第電磁感應定律為基礎的。放置于時變磁場中的導體，在法拉第電磁感應定律作用下，導體內(nèi)將產(chǎn)生感應電動勢，導體自由電子開始做定向運動產(chǎn)生感應電流，具有電阻性的導體通過感應電流后會產(chǎn)生熱能而使其自身發(fā)熱，根據(jù)焦耳定律可得：

式中

  W 為導體產(chǎn)生熱量，單位焦耳（J）；

  I 為導體流過有效電流強度，單位安培（A）；

  R 為導體電阻值，單位歐姆（Ω）；

  t 為電流流過導體時長，單位秒（s）。

  根據(jù)法拉第電磁感應定律描述，當導體回路所包含截面區(qū)域內(nèi)的磁通量發(fā)生變化，就會在導體閉合回路中產(chǎn)生感應電動勢，進而產(chǎn)生感應電流，感應電動勢可用公式表示為

  式中

  e 為導體閉合回路產(chǎn)生的感應電動勢，單位伏特（V）；   

  N 為導體繞組匝數(shù)，無單位量綱；

  ∮為導體閉合回路截面的磁通量，單位為韋伯（Wb）；

  t 為時間，單位秒（s）。

如圖 1.1 所示，當感應加熱電源設備的感應線圈中通過交變電流1i 時，在線圈內(nèi)會產(chǎn)生交變磁場。而導體工件處于交變磁場中，可將工件看作為單匝線圈，根據(jù)法拉第電磁感應定律，在導體工件上會產(chǎn)生一個交變感應電動勢，進而產(chǎn)生感應電流2i 。由于導體工件都具有一定的電阻性，因此又根據(jù)焦耳定律，工件將在感應電流作用下迅速產(chǎn)生熱量并對其自身進行熱處理。

 在感應加熱工件截面上，所產(chǎn)生感應電流的密度并非均勻存在，當感應線圈通過交變電流時，在工件截面上產(chǎn)生的感應電流密度由外到內(nèi)逐漸減小地非均勻分布，越往工件內(nèi)部電流密度越小，這種電流的趨表現(xiàn)象被稱為趨膚效應。

  感應加熱技術的優(yōu)點

 目前，感應加熱技術已在金屬表面熱處理、熔煉、焊接等領域得到廣泛應用，日益成為機械加工、冶金、國防等部門的重要能源形式，船舶、汽車、飛機等傳統(tǒng)的制造業(yè)也在不斷改造舊式設備，應用更加先進的感應加熱設備。相對于傳統(tǒng)加熱工藝，感應加熱技術之所以被廣泛認可，主要表現(xiàn)為以下優(yōu)點：

  一、加熱效率高，節(jié)約能源，節(jié)省成本；

  二、產(chǎn)品加熱溫度容易控制，產(chǎn)品離散性小，質(zhì)量可靠；

  三、安全性高，避免安全事故對操作工人嚴重的人身傷害；

  四、加熱迅速，能夠短時間內(nèi)達到加熱溫度，減小金屬氧化程度；

  五、自動控制容易實現(xiàn)，借助數(shù)字處理系統(tǒng)，實現(xiàn)智能操作；

  六、操作環(huán)境好，極少的煙、塵、噪聲、熱等；

  七、作業(yè)空間小，節(jié)約場地成本；

  八、可對形狀復雜的工件進行熱處理；

  感應加熱技術發(fā)展狀況及發(fā)展趨勢

  感應加熱技術的發(fā)展狀況

  雖然早在 1831 年電磁感應原理就已經(jīng)被偉大的科學家法拉第發(fā)現(xiàn)，但人類真正使用感應加熱這一技術始于 20 世紀初期，并且在很長一段時間內(nèi)，感應加熱技術發(fā)展緩慢。經(jīng)過近百年歷史的發(fā)展，感應加熱技術取得了長足進步。特別是上世紀 60年代以來，隨著固態(tài)電力電子器件的發(fā)明與其制造工藝的發(fā)展，感應加熱技術又有了飛躍性發(fā)展。90 年代開始，國內(nèi)普遍開始采用IGBT 作為功率開關管研發(fā)超音頻感應加熱電源。高頻感應加熱電源的功率容量和工作頻率已與先進水平相當，但是在設備的穩(wěn)定性、制造工藝水平等方面仍有不小差距。目前，國內(nèi)設備生產(chǎn)需要的 IGBT、MOSFET 和 SIT 等功率開關器件幾乎全部依賴進口，這使國內(nèi)生產(chǎn) IGBT 超音頻電源、高頻電源成本大大增加，在一定程度上制約了我國感應加熱技術的進步與提升。近年來，國際社會上越來越多的科研人員正在為感應加熱技術的深度研究、感應加熱應用領域的拓展付出著艱辛努力。

  感應加熱技術由于其諸多優(yōu)點，正在被越來越廣泛地應用于現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中，促進了生產(chǎn)力的巨大提升，因此國際社會都在越來越關注感應加熱技術的發(fā)展，并且投入了大量的技術研究力量.