高頻感應(yīng)加熱的原理[學(xué)術(shù)參考]

1、高頻感應(yīng)加熱的原理及設(shè)備一、 高頻感應(yīng)加熱的原理感應(yīng)加熱是利用導(dǎo)體在高頻磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生的感應(yīng)電流（渦流損耗）以及導(dǎo)體內(nèi)磁場(chǎng)的作用（磁滯損耗）引起導(dǎo)體自身發(fā)熱而進(jìn)行加熱的。 【當(dāng)金屬導(dǎo)體處在一個(gè)高頻交變電場(chǎng)中，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，將在金屬導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，由于導(dǎo)體的電阻很小，從而產(chǎn)生強(qiáng)大的感應(yīng)電流。由焦耳楞次定律可知，交變磁場(chǎng)將使導(dǎo)體中電流趨向?qū)w表面流通，引起集膚效應(yīng)，舜間電流的密度與頻率成正比，頻率越高，感應(yīng)電流密度集中于導(dǎo)體的表面，即集膚效應(yīng)就越嚴(yán)重，有效的導(dǎo)電面積減少，電阻增大，從而使導(dǎo)體迅速升溫】【高頻感應(yīng)加熱的原理：導(dǎo)體有電流通過(guò)時(shí)，在其周?chē)屯瑫r(shí)產(chǎn)生磁場(chǎng)，高頻電流流向被繞制

2、成環(huán)狀或其它形狀的電感線圈（通常是用紫銅管制作）。由此在線圈內(nèi)產(chǎn)生極性瞬間變化的強(qiáng)磁束，將被加熱的金屬物質(zhì)放置在感應(yīng)線圈內(nèi)，磁束就會(huì)貫通整個(gè)被加熱物質(zhì)，在被加熱物質(zhì)內(nèi)部與加熱電流相反的方向產(chǎn)生很大的渦流，由于被加熱金屬物質(zhì)的電阻產(chǎn)生焦耳熱，使金屬物質(zhì)自身的溫度迅速上升，從而完成對(duì)金屬工件的加熱】二、 感應(yīng)加熱系統(tǒng)的構(gòu)成感應(yīng)加熱系統(tǒng)由高頻電源(高頻發(fā)生器)、導(dǎo)線、變壓器、感應(yīng)器組成。 其工作步驟是由高頻電源把普通電源（220v/50hz）變成高壓高頻低電流輸出，（其頻率的高低根據(jù)加熱對(duì)象而定，就其包材而言，一般頻率應(yīng)在480kHZ左右。）通過(guò)變壓器把高壓、高頻低電流變成低壓高頻大電流。感應(yīng)器通過(guò)

3、低壓高頻大電流后在感應(yīng)器周?chē)纬奢^強(qiáng)的高頻磁場(chǎng)。一般電流越大，磁場(chǎng)強(qiáng)度越高。全晶體管高頻感應(yīng)加熱設(shè)備1、高頻感應(yīng)加熱設(shè)備現(xiàn)狀 高頻感應(yīng)加熱設(shè)備在我省已得到廣泛應(yīng) 用，設(shè)各頻率范圍在200-450 kHz,高頻功率 最大可達(dá)400 kW。我省的高頻感應(yīng)加熱設(shè)備 主要應(yīng)用于金屬熱處理、淬火、透熱、熔煉、釬焊、直縫鋼管焊接、電真空器件去氣加熱、半導(dǎo)體材料煉制、塑料熱合、烘烤和提純等?，F(xiàn)在我省使用的高頻感應(yīng)加熱設(shè)備都是以大功率真空管（發(fā)射電子管）為核心構(gòu)成單級(jí)自激振蕩器，把高壓直流電能量轉(zhuǎn)換成高頻交流電能量，它們的電子管板極轉(zhuǎn)換效率一般在 75環(huán)左右，設(shè)備的整機(jī)總效率一般在50絨以下，水和電能的消耗非

4、常大。自70年代中期后，對(duì)高頻設(shè)備也進(jìn)行了一系列改進(jìn)，如: (1)用節(jié)能型牡鎢煙絲電子管代替老式純鎢燈絲系列電子管，如FV-911代替FV-433 FV-431,FV-89F管等; (2)采用高壓硅堆整流代替充汞閘流管整流; (3)采用大功率雙向可控硅結(jié)合微機(jī)調(diào)壓代替原閘流管調(diào)壓; (4)根據(jù)各自工藝條件重新更改振蕩回 路，選擇合理的振蕩頻率。這樣，經(jīng)過(guò)一系列改造后，使我省的頻設(shè)備整機(jī)總電效率有一定的提高，在節(jié)能方面有一定的效果，但由于振蕩電子管這個(gè)耗電最大的器件未改掉，所以在節(jié)能方面，并不是特別顯著。 2、全晶體蒼高頻感應(yīng)加熱設(shè)備電子技術(shù)的發(fā)展，可謂日新月異。80年代初，日本首先改進(jìn)半導(dǎo)體生

5、產(chǎn)工藝，開(kāi)發(fā)生產(chǎn)出場(chǎng)控電力電子器件大功率靜電感應(yīng)晶體管(SIT ) ,并設(shè)計(jì)制成換流橋式的，把直流電能量轉(zhuǎn)換成高頻電能量的全晶體管化高頻感應(yīng)加熱設(shè)備，隨后美國(guó)、西德等發(fā)達(dá)國(guó)家也迅速研制，使之很快就商品化了。 2. 1大功率靜電感應(yīng)晶體管(SIT)的特點(diǎn) 大功率靜電感應(yīng)晶體管(SIT)是一種大功率電力電子器件，它的符號(hào)與三極管相同，作用也相似，但它主要用在大功率換流或?qū)ǖ目刂茍?chǎng)合，它具有以下幾個(gè)特點(diǎn): (1)具有“正導(dǎo)通”特性，在正柵壓為0 V”時(shí)，SIT處于導(dǎo)通狀態(tài)，而在加上負(fù)柵壓時(shí)，則將處于關(guān)斷狀態(tài); (2)開(kāi)關(guān)速度快，可用于高頻段; (3)是高輸入阻抗的電壓控制型器件，所以用較小的驅(qū)動(dòng)功

6、率就能控制較大的功率; (4)SIT元件是高耐壓大電流型器件; (5)電流的負(fù)溫度系數(shù)不會(huì)使電流集中,從而有利于并聯(lián)驅(qū)動(dòng),因此可運(yùn)用于大功率裝置。目前，靜電感應(yīng)晶體管(SIT)的單管功耗有1kW和3kW級(jí)的電力電子器件，供組裝高頻逆變?cè)O(shè)備. 2. 2全晶體管高頻感應(yīng)加熱設(shè)備主電路 由靜電感應(yīng)晶體管SIT組裝的高頻感應(yīng)加熱設(shè)備主回路如附圖所示,主電路由3部份組成: (1)直流電源部份：該部份是把工頻三相交流電轉(zhuǎn)換為直流電，并控制下面幾部份。該部份主要由三相晶閘管(SCR)可調(diào)電路和直流電抗器La與電解電容Ca組成的直流濾波器組成，調(diào)整三相晶閘管整流電路的直流輸出電壓，可調(diào)節(jié)該設(shè)備的輸出功率。輸入

7、電壓為工頻3p380V，最大直流電壓可達(dá)500 V以上，輸出直流可以100100%連續(xù)可調(diào)。(2)逆變部份：該部份把直流交換為高頻交流，并控制后面部份，這部份由電壓型單相全橋電路構(gòu)成，使用1kW或3kW級(jí)功耗的SIT作為逆變橋的開(kāi)關(guān)器件，使用同一級(jí)功耗的SIT器件組成電路時(shí)，設(shè)備的功率越大，頻率越高，每一橋臂上并聯(lián)的SIT器件 愈多;R- C。和D.為緩沖電路，當(dāng)SIT開(kāi)始 關(guān)斷而產(chǎn)生浪涌電壓，超過(guò)這些電路中的直流電壓時(shí)，二級(jí)管D，導(dǎo)通，而電容器C。吸收 該浪涌能量，使逆變橋中的SIT器件安全運(yùn)行。SIT元件的導(dǎo)通或關(guān)斷是由設(shè)備上所配備的微機(jī)和專用程序控制觸發(fā)信號(hào)，控制其導(dǎo)通或關(guān)斷。 (3)負(fù)

8、載回路部份：該部份的功能是把高頻功率輸向被加熱的金屬工件上，負(fù)載回路是由諧振回路、電流互感器和加熱線圈組成， 該電路中的串聯(lián)諧振回路構(gòu)成了電壓型逆變電路，電容器CT和電感LT兩端各產(chǎn)生幾干伏以上的高頻電壓。高頻變流器次級(jí)側(cè)通常做成單匝，聯(lián)接著加熱線圈L，巨大的高頻電流在L。周?chē)a(chǎn)生，高頻磁通使金屬工件迅速急劇發(fā)熱。3、全晶體管化高頻與電子管式高頻比較 全晶體管化高頻感應(yīng)加熱設(shè)備在如下幾個(gè)方面優(yōu)于電子管式高頻感應(yīng)加熱設(shè)備。 3. 1工作模式得到徹底改變 電子管高頻感應(yīng)加熱設(shè)備需將工頻 3p380 V升高后，經(jīng)高壓整流器件變換成相應(yīng)的直流高壓才能供給電子管工作，電子管板極內(nèi)阻大，有大量功率損耗在

9、板極上發(fā)熱， 而且需要及時(shí)加水冷卻，同時(shí)還需把一部份功率反饋到柵極，并且要較大的燈絲加熱功率，這樣就有大量的電能損耗在轉(zhuǎn)換之中。而晶體管高頻中的SIT電力電子器件，只需較小的驅(qū)動(dòng)功率來(lái)控制較大功率換流的產(chǎn)生， SIT元件正向?qū)▔航岛苄?，損耗不大，并且 采用直流500 V的低壓工作狀態(tài)。電子管板極轉(zhuǎn)換效率最高為750o,SIT電力電子器件為9200；全晶體管高頻省去了高壓整流變壓器、高壓硅堆；如果多管并用，能使熱量分散，只需加少量的水便可，30kW以下小功率高頻可減去水冷卻，晶體管高頻整機(jī)總效率比電子管高頻要高20000 3.2能源的節(jié)約 電子管高頻電壓轉(zhuǎn)換次數(shù)多，電壓變化大，而全晶體管高頻電

10、壓變化不大，在幾百伏內(nèi)變動(dòng)，不需多次變換電能，所以全晶體管高頻比同功率電子管高頻節(jié)電3000.節(jié)水 83沁，如輸出為80 kW級(jí)(FV-911S)電子管高頻，振蕩工作時(shí)輸入功率為158 kW，用 水3 1/s，而同樣的輸出功為80 kW的全晶體管高頻，振蕩工作時(shí)，輸入功率只需113 kW , 用水。. 5 1/s，電子管還另需消耗2. 2 kW的 燈絲加熱功率。 3.3設(shè)備一與維護(hù) 全晶體管高頻體積只有電子管高頻的1/3,所以設(shè)備占地面積也只有1/3，晶體管高!p設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單.工作非常穩(wěn)定.故障少 (據(jù)國(guó)內(nèi)使用廠家介紹，使用2年多沒(méi)有發(fā)現(xiàn) 任何故障)，維修費(fèi)用低，省去了原電子管高 G r1 r

11、 i; 1:需換的1 ?電r管(6,l loo kW高 頻為例)，約7 000元，水套(2年更換1只)約 3 500元，每年1次的整流變壓器檢修、濾油 費(fèi)約 mo七.整個(gè)維修費(fèi)1年最少可節(jié)約1 萬(wàn)多元。因用水量減少，水泵也可根據(jù)需要改用較小功率的。 4、國(guó)內(nèi)外研制動(dòng)態(tài) 4. 1國(guó)外產(chǎn)品情況 目前在世界上只有少數(shù)幾個(gè)國(guó)家的大公司能制造全晶體管高頻，如日本的島田理化工業(yè)(株)，富士電波機(jī)(株)，電氣興業(yè)(株)， 美國(guó)的ENI公司，德國(guó)的FDF公司，EMA 公司等，產(chǎn)品規(guī)格已成系列化，如: 日本的:T系列20-30 kHz 3-50 kW七 種規(guī)格， A系列200-300 kHz 2,5,10 kW

12、 三種規(guī)格， SST系列20 200 kHz 2.0, 30, 40 kW三種規(guī)格， 20150 kHz 50200 kW六種規(guī)格， 20100 kHz 300, 400 kW二種規(guī)格。 美國(guó)的:STATITRON系列50-300 kHz 25一400 kW八種規(guī)格 西德的:ELOMAT TGI系歹，j 50-200 kHz 15-240 kW等規(guī)格，而且他們還在試制更高頻，更大功率的高頻設(shè)備， 用途已不只是工業(yè).如廣播電臺(tái)，軍事通訊等。 4. 2國(guó)產(chǎn)化研制情況 我國(guó)非常重視國(guó)際上這一電力電子器件技術(shù)的研究和應(yīng)用，國(guó)家計(jì)委、科委、機(jī)電部 已確定SIT元件和晶體管高頻的研制為“八 五”國(guó)家重點(diǎn)科

13、技攻關(guān)項(xiàng)目，具體布署了SIT 器件及全晶體管化高頻設(shè)備整機(jī)的同步攻關(guān)，目前我國(guó)有關(guān)科研單位已研制出小功率 0. 1 kW級(jí)以下的SIT元件.大功率級(jí)的研制還在進(jìn)行，整機(jī)的研制在遼寧電子設(shè)備廠進(jìn)行，目前已研制并出產(chǎn)了幾臺(tái)輸出功率為80 kW的全晶體管高頻感應(yīng)加熱設(shè)備，并在 1993年中國(guó)國(guó)際計(jì)算機(jī)設(shè)備展覽會(huì)上演示了他們的產(chǎn)品；現(xiàn)在他們又在研制輸出功率為10 kW級(jí)的全晶體管高頻感應(yīng)加熱設(shè)備，估計(jì)到1996年研制出樣機(jī)，輸出在80 kW以下的高頻感應(yīng)加熱設(shè)備頻率可達(dá)300 kHz o 科學(xué)技術(shù)在不斷進(jìn)步，電子管高頻被大功率晶體管代替是必然趨勢(shì)，這個(gè)日子已不會(huì)很長(zhǎng)，讓我們迎接這個(gè)時(shí)代的到來(lái)，為我省的

14、節(jié)能技術(shù)工作做出新貢獻(xiàn)。高頻加熱機(jī)全稱“高頻感應(yīng)加熱機(jī)”，又名高頻感應(yīng)加熱設(shè)備、高頻感應(yīng)加熱裝置、高頻加熱電源、高頻電源、高頻焊接機(jī)、高周波感應(yīng)加熱機(jī)、高周波感應(yīng)加熱器(焊接器)等，另外還有中頻感應(yīng)加熱設(shè)備、超高頻感應(yīng)加熱設(shè)備，應(yīng)用范圍十分廣泛。 高頻大電流流向被繞制成環(huán)狀或其它形狀的加熱線圈（通常是用紫銅管制作）。由此在線圈內(nèi)產(chǎn)生極性瞬間變化的強(qiáng)磁束，將金屬等被加熱物質(zhì)放置在線圈內(nèi)，磁束就會(huì)貫通整個(gè)被加熱物質(zhì)，在被加熱物質(zhì)內(nèi)部與加熱電流相反的方向產(chǎn)生很大的渦電流，由于被加熱物質(zhì)內(nèi)的電阻產(chǎn)生焦耳熱，使物質(zhì)自身的溫度迅速上升，這就是感應(yīng)加熱的原理。 感應(yīng)加熱設(shè)備就是利用電磁感應(yīng)原理，使工件在交變

15、磁場(chǎng)中產(chǎn)生感應(yīng)電流，利用感應(yīng)電流通過(guò)工件所產(chǎn)生的熱效應(yīng)使工件表面、內(nèi)孔、局部或整體加熱的一種大功率電加熱設(shè)備。 （一）鍛造、軋制類 1 、各種麻類的熱軋 2 、標(biāo)準(zhǔn)件、緊固件的執(zhí)鐓。如高強(qiáng)度螺栓、螺帽等。 3 、釬鋼、釬具的回火、鍛造、擠壓等的加熱。 4 、不銹鋼制品退火、退熱。 （二）熱處理類 1、各種五金工具、手工工具的熱處理。如鉗子、扳手、旋具、錘子、斧頭等。 2、各種汽車(chē)配件、摩托車(chē)配件的高頻淬火處理。如：曲軸、連桿、活塞銷、曲柄銷、鏈輪、凸輪軸、氣門(mén)、各種搖臂軸；變速箱內(nèi)各種齒輪、花鍵思、傳動(dòng)半軸 、各種拔叉 叉等高頻淬火處理。 3、各種電動(dòng)工具上的齒輪、軸等的高頻淬火處理。 4、各種液壓元件、氣動(dòng)元件的高頻淬火的熱處理。如柱塞泵的柱塞、轉(zhuǎn)子泵的轉(zhuǎn)