高頻感應(yīng)電源理論解析及試驗(yàn)進(jìn)程報告

一、 感應(yīng)加熱發(fā)展的歷史及其應(yīng)用場合

1．感應(yīng)加熱發(fā)展歷史

感應(yīng)加熱來源于法拉第發(fā)現(xiàn)的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，也就是交變的電流會在導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而導(dǎo)致導(dǎo)體發(fā)熱。長期以來，技術(shù)人員都對這一現(xiàn)象有較好了解，并且在各種場合盡量抑止這種發(fā)熱現(xiàn)象，來減小損耗。比較常見的如開關(guān)電源中的變壓器設(shè)計(jì)，通常設(shè)計(jì)人員會用各種方法來減小渦流損耗，來提高效率。然而在19世紀(jì)末期，技術(shù)人員又發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象的有利面，就是可以將之利用到加熱場合。來取代一些傳統(tǒng)的加熱方法，因?yàn)楦袘?yīng)加熱有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1） 非接觸式加熱，熱源和受熱物件可以不直接接觸

（2） 加熱效率高，速度快，可以減小表面氧化現(xiàn)象

（3） 容易控制溫度，提高加工精度

（4） 可實(shí)現(xiàn)局部加熱

（5） 可實(shí)現(xiàn)自動化控制

（6） 可減小占地，熱輻射，噪聲和灰塵

由于感應(yīng)加熱具有以上的一些優(yōu)點(diǎn)，大量的工程技術(shù)人員對此進(jìn)行了研究，1890年瑞典技術(shù)人員發(fā)明了第一臺感應(yīng)熔煉爐――開槽式有芯爐，1916年美國人發(fā)明了閉槽有芯爐，從此感應(yīng)加熱技術(shù)逐漸進(jìn)入實(shí)用化階段。而后，20世紀(jì)電力電子器件和技術(shù)的飛速發(fā)展，極大的促進(jìn)了感應(yīng)加熱技術(shù)的發(fā)展。

1957年，美國研制出作為電力電子器件里程碑的晶閘管，標(biāo)志著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的開始。同時，也引發(fā)了感應(yīng)加熱技術(shù)的革命。1966年，瑞士和西德首先利用晶閘管研制感應(yīng)加熱裝置，從此感應(yīng)加熱技術(shù)開始飛速發(fā)展。

80年代后，電力電子器件再次飛速發(fā)展，GTO，MOSFET，IGBT，MCT，SIT等器件相繼出現(xiàn)。感應(yīng)加熱裝置也逐漸摒棄晶閘管，開始采用這些新器件。現(xiàn)在比較常用的是IGBT和MOSFET，IGBT用于較大功率場合，而MOSFET用于較高頻率場合。據(jù)報道，國外可以采用IGBT將感應(yīng)加熱裝置做到功率超過1000KW，頻率超過50K。而MOSFET較合適高頻場合，通常在幾千瓦的中小功率場合，頻率可達(dá)到500K以上，甚至幾M。然而國外也有推出采用MOSFET的大功率的感應(yīng)加熱裝置，比如美國研制的2000KW/400KHz的裝置。

國內(nèi)的電力電子技術(shù)起步比較完，所以感應(yīng)加熱技術(shù)也落后于國外很多。但是由于市場前景廣闊，所以研制的感應(yīng)加熱的技術(shù)人員逐漸增加。國內(nèi)在此領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位的為浙江大學(xué)，但是離國外先進(jìn)技術(shù)還有相當(dāng)距離。

2． 感應(yīng)加熱應(yīng)用場合

感應(yīng)加熱可以用于多種場合，主要有：

（1） 冶金：有色金屬的冶煉，金屬材料的熱處理,鍛造、擠壓、軋制等型材生產(chǎn)的偷熱；焊管生產(chǎn)的焊縫。

（2） 機(jī)械制造：各種機(jī)械零件的淬火，以及淬火后的回火、退火和正火等熱處理的加熱。壓力加工前的透熱。

（3） 輕工：罐頭以及其它包裝的封口，比如著名的利樂磚的封口包裝。

（4） 電子：電子管真空除氣的加熱

二 感應(yīng)加熱基本原理

1.電磁感應(yīng)原理

1831年，英國物理學(xué)家faraday發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，并且提出了相應(yīng)的理論解釋。其內(nèi)容為，當(dāng)電路圍繞的區(qū)域內(nèi)存在交變的磁場時，電路兩端就會感應(yīng)出電動勢，如果閉合就會產(chǎn)生感應(yīng)電流。

利用高頻電壓或電流來加熱通常有兩種方法：

（1） 電介質(zhì)加熱：利用高頻電壓（比如微波爐加熱）

（2） 感應(yīng)加熱：利用高頻電流（比如密封包裝）

2．電介質(zhì)加熱（dielectric heating）

電介質(zhì)加熱通常用來加熱不導(dǎo)電材料，比如木材。同時微波爐也是利用這個原理。原理如圖1：

圖1 電介質(zhì)加熱示意圖

當(dāng)高頻電壓加在兩極板層上，就會在兩極之間產(chǎn)生交變的電場。需要加熱的介質(zhì)處于交變的電場中，介質(zhì)中的極分子或者離子就會隨著電場做同頻的旋轉(zhuǎn)或振動，從而產(chǎn)生熱量，達(dá)到加熱效果。

3．感應(yīng)加熱（induction heating）

感應(yīng)加熱原理為產(chǎn)生交變的電流，從而產(chǎn)生交變的磁場，再利用交變磁場來產(chǎn)生渦流達(dá)到加熱的效果。如圖2：

圖2 感應(yīng)加熱示意圖

基本電磁定律：

法拉第定律：

安培定律：

其中： ，

如果采用MKS制，e的單位為V，?的單位為Wb，H的單位為A/m，B的單位為T。

以上定律基本闡述了電磁感應(yīng)的基本性質(zhì)，

集膚效應(yīng)：

當(dāng)交流的電流流過導(dǎo)體的時候，會在導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電流（如圖3），從而導(dǎo)致電流向?qū)w表面擴(kuò)散。也就是導(dǎo)體表面的電流密度會大于中心的電流密度。這也就無形中減少了導(dǎo)體的導(dǎo)電截面，從而增加了導(dǎo)體交流電阻，損耗增大。工程上規(guī)定從導(dǎo)體表面到電流密度為導(dǎo)體表面的1/e＝0.368的距離δ為集膚深度。

在常溫下可用以下公式來計(jì)算銅的集膚深度：

圖3 渦流產(chǎn)生示意圖

從以上可以看到，如果增大電流和提高頻率都可以增加發(fā)熱效果，是加熱對象快速升溫。所以感應(yīng)電源通常需要輸出高頻大電流。