感應加熱原理

1、Page 1感應加熱原理感應加熱原理2我國感應加熱在工業(yè)上的運用，起步于20世紀50年代，在機床制造、紡織機制造、汽車、拖拉機工業(yè)等有些運用最早，當時的感應加熱技術，絕大有些來自前蘇聯(lián)，少有些來自捷克、比利時等國家。50年代末，我國已克己出電子管式高頻電源與機械式中頻發(fā)電機，感應熔煉、感應透熱、淬火、介質(zhì)加熱等各種設備與技術相繼在工業(yè)上得到運用。60年代后，各個有些、公司在自給自足精神鼓舞下，研制出晶閘管中頻電源，改進了電子管式高頻電源，并計劃、制造了各種型式的淬火機床，其典型構造已匯編入原機械部第六計劃院的淬火機床圖集算計55種。對外開放以來，經(jīng)過出國考察、進口設備、引入技術等多種途徑，工業(yè)

2、發(fā)達國家的現(xiàn)代感應加熱技術逐步進入了我國工業(yè)的各個有些，使感應加熱這一節(jié)能、高效、自動化、高重現(xiàn)性、環(huán)保的技術更有效地得到運用。感應加熱發(fā)展過程感應加熱發(fā)展過程3現(xiàn)在，感應加熱電源在中頻頻段首要選用晶閘管，超音頻頻段首要選用IGBT，而在高頻頻段，因為SIT存在高導通損耗等缺熱電源一般飛功熱風率較大對功率器材、無源器材、電纜、布線、接地和屏蔽等均有很多特殊要求。因而，完成感應加熱電源高頻當?shù)丶訜犭娫吹陌l(fā)展。從電路的視點來思考感應加熱電源的大容量化，可將大容量化技能分為兩大類:一類是器材的串、并聯(lián)；另一類是多橋或多臺電源的串、并聯(lián)。在器材的串、并聯(lián)方法中，有必要仔細處理串聯(lián)器材的均壓問題和并聯(lián)器

3、材的均流問題，因為器材制作技能和參數(shù)的離散性，約束了器材的串、并聯(lián)數(shù)目，且串、并聯(lián)數(shù)越多，設備的牢靠性越差。多臺電源的串、并聯(lián)技能是在器材串、并聯(lián)技能基礎上進一步再容量化的有用手段，借助于牢靠的電源串、并聯(lián)技能，在單機容量恰當?shù)那闆r下，可簡單地經(jīng)過串、并聯(lián)運轉方法得到大容量設備，每臺單機僅僅設備的一個單元。4感應加熱電源逆變器主要有并聯(lián)逆變器和串聯(lián)逆變器，串聯(lián)逆變器輸出可等效為一低阻抗的電壓源，當兩電壓源并聯(lián)時，相互間的幅值、相位和頻率不一樣或動搖時將致使很大的環(huán)流，以至逆變器件的電流產(chǎn)生嚴峻不均，因此，串聯(lián)逆變器存在并機擴容困難，而對并聯(lián)逆變器，逆變器輸入端的直流大電抗器可充任各并聯(lián)逆變器之

4、間的電流緩沖環(huán)節(jié)，使得輸入端的AG/DG或DG/DG環(huán)節(jié)有滿足的時刻來糾正直流電流的誤差，到達多機并聯(lián)擴容，晶體管化超音頻、高頻電流多選用并聯(lián)逆變器構造，并聯(lián)逆變器易于模塊化、大容量化是其間的一個主要原因。感應加熱電源的負載對象各式各樣，而電源逆變器與負載是一有機的整體，一般采用匹配變壓器連接電源和負載感應器，同時,從電路拓撲上可以用三無源元件代替二無源元件，以取消變壓器,實現(xiàn)高效、低成本匹配。5關于鐵磁性金屬材料，感應發(fā)熱的一少部分來源于磁滯損耗。磁滯發(fā)熱能夠這么來解說，磁滯現(xiàn)象是由分子（或稱磁性偶極子）之間的磨擦力致使的；當鐵磁性金屬被磁化時，磁性偶極子能夠看成是小磁針，它隨著磁場方向改變

5、(即交流電的改變)而滾動，這種來回滾動所導致的發(fā)熱，即是磁滯發(fā)熱。交流電頻率越高，磁場改變就越快，單位時間內(nèi)發(fā)生出的熱量也就越多。焦耳熱效應是由渦流損耗發(fā)生的。渦流損耗和焦耳的表達式和直流電、交流電的能量消耗公式相同。和其它電流相同，渦流也必須有一個閉合回路。假定該電路中電壓為V，電阻為R，電流為I，由歐姆定律VIR。電勢下降時，電能就轉變成熱能。這種電能的轉化過程類似于機械運動過程中勢能的轉化。勢能轉化過程是因為在重力效果下，物體由高處向低處落下時發(fā)生的。電勢下降時發(fā)生熱，其關系式能夠由P=I2R給出。在這里，應留意：發(fā)生的是熱功率，即單位時間內(nèi)的熱功。6由式(1-4)可以看出，感應電勢和發(fā)

6、熱功率與頻率高低和磁場強弱有關。感應線圈中流過的電流越大，其產(chǎn)生的磁通也就越大，因此提高感應線圈中的電流可以使工件中產(chǎn)生的渦流加大；同樣提高工作頻率也會使工件中的感應電流加大，從而增加發(fā)熱效果，使工件升溫更快13。另外，渦流的大小還與金屬的截面大小、截面形狀、導電率、導磁率以及透入深度有關。由此可以看出感應加熱的加熱過程是電磁感應過程和熱傳導過程的綜合體現(xiàn)，電磁感應過程具有主導作用，它影響并在一定程度上決定著熱傳導過程。熱傳導過程中所需要的熱能是由電磁感應過程中所產(chǎn)生的渦流功率提供的。透入深度的規(guī)則是由電磁場的集膚效應而來的。電流密度在工件中散布是從外表向里邊衰減，其衰減大致呈指數(shù)規(guī)則改變。工

7、程上一般這么規(guī)則的，當導體電流密度由外表向里邊衰減到數(shù)值等于外表電流密度的1/e（約0.368）倍時，該處到外表的間隔稱為電流透入深度。7材料的電阻率p，相對磁導率r斷定今后，透入深度僅與頻率的平方根成反比，因而它可以通過改動頻率來操控。頻率越高，作業(yè)的透熱厚度就越薄，這種特性在金屬熱處理中得到了廣泛的應用，如淬火、熱處理等。當交變電流I經(jīng)過導體時，在它所形成的交交磁場效果下，導體內(nèi)會產(chǎn)生感應電動勢。因為越近基地的感應電動勢越大，導體基地的電流便趨向外表，電流從外表向基地呈指數(shù)規(guī)則衰減，如圖1-2所示，這種表象稱為集膚效應或外表效應。鋼鐵材料在加熱過程中，其電阻率隨溫度升高而增大(在80090

8、0范圍內(nèi)多種鋼材的電阻率值根本一樣)；在失磁點(居里點)以下，磁導率值根本不變，但抵達失磁點時，突然降為真空的磁導率(0=410-7H/m)。8因而，當溫度抵達失磁點時，渦流透入深度明顯增大。超過錯磁點的渦流透入深度稱為熱態(tài)渦流透入深度熱（熱=500/ f），反之稱為冷態(tài)渦流透入深度冷，冷可按公式1-6求出。顯然，前者比后者大許多倍，如圖1-3所示。因而在快速加熱條件下，即便向工件輸入較大功率時，外表也不易過熱。當失磁的高溫層超過熱態(tài)渦流透入深度時，加熱層深度的增加主要靠熱傳導進行，功率低。相鄰兩導體通以溝通電流時，因為電流磁場的相互作用，導體上的電流將從頭散布，表現(xiàn)為：兩導體通有巨細持平、方

9、向相反的溝通電流時，電流在兩導體內(nèi)側外表層流過；當兩導體通有巨細持平、方向一樣的溝通電流，電流在兩導體的外側流過。這種表象稱為鄰近效應。9A、B為兩根通有方向一樣交流電的導線，因為兩導線附近，A導線上的電流所發(fā)生的磁力線切割了B導線，因為bl、b2與導線A的間隔不一樣，且d1d2，明顯bl所鉸鏈的磁力線多于b2，故bl處比b2處的感生電動勢大，又因為互感電動勢與原電動勢（即導線A上的電動勢）方向相反，也與導線B的原電動勢方向相反，其成果使導線B的總電動勢減小，而bl處總電動勢減小比b2處的總電動勢減小值大，所以b2處的電流大于bl處電流。假如A、B間隔很近、電流足夠大、頻率足夠高，B導體上的電

10、流悉數(shù)在b2附近的導線外側流過。A導線的電流也因為B導線電流磁場的效果從頭分布，亦在導線外側流過，導線外側電流密度比內(nèi)側大。同理，兩電流方向相反時，導線內(nèi)側電流密度較外側的大。導體之間的間隔越小，附近效應越激烈，電流頻率越高，附近效應也越激烈。在規(guī)劃感應器時充分利用附近效應，能明顯提高感應加熱的功率。10當感應線圈剛剛接通電流，工件溫度初步明顯添加前的霎時間，渦流在零件中的透入深度是符合冷態(tài)散布式 1-6 的。由于越趨近工件表面渦流強度越大，因此表面升溫也越快。當表面出現(xiàn)己超差錯磁溫度的薄層時，加熱層就被分紅兩層：外層的失磁層和與之毗連的未失磁層。失磁層內(nèi)的材料導磁率的急劇降低，造成了渦流強度

11、的明顯降低，從而使最大的渦流強度出如今失磁層和未失磁層的交界處。渦流強度散布的改動，使兩層交界處的升溫速度比表面的升溫速度更大，因此使失磁層不斷向縱深移動，零件就這樣得到逐層而接連的加熱，直到熱透深度熱中止。這種加熱辦法稱為透入式加熱。當失磁的高溫層厚度超過熱態(tài)的渦流透入深度熱后，繼續(xù)加熱時，熱量基本上是依靠在厚度為熱的表層中分出，而在此層內(nèi)越接近外表，渦流強度和所得到的能量越大。11一起，因為熱傳導的作用，加熱層的厚度將隨時刻的延伸而不斷增大。當零件的加熱層厚度遠遠大于資料在該電流頻率下熱態(tài)的渦流透入深度時，那么這種加熱層即是首要依托熱傳導方法取得的，其加熱進程及沿截面的溫度分布特性與用外熱

12、源加熱（如在爐內(nèi)加熱或火焰加熱）的根本相同，為熱傳導加熱方法。使用縱向磁場感應加熱時，薄帶鋼是被封閉線圈環(huán)繞。當交變電流經(jīng)過環(huán)繞工件的線圈時，會發(fā)生一個改變的磁場。這個改變的磁場與帶鋼基地軸線(帶鋼縱向方向)相平行，同時改變的磁場在被加熱資料中發(fā)生渦流，依據(jù)歐姆定律，電阻使電能轉化為熱能，然后加熱資料。因為集膚效應的作用，渦流的活動方向垂直于磁場方向，并趨于工件的表層，鋼板上下部的電流方向是相反的。12從加熱功率的視點看，縱向磁場的加熱功率隨頻率提高而增加，并趨于一極限值，在頻率低于一定值時，功率將急劇下降。從能量分布方面看，縱向磁場較易于做到溫度的均勻分布，而橫向磁場則比較難，在停止狀態(tài)下的加熱則更艱難。據(jù)蘇聯(lián)材料介紹，停止狀態(tài)下的薄板不能選用此種感應加熱，在對帶材的接連加熱時，邊緣溫度通常過高，有時可達30%左右。13隨著社會的顯著發(fā)展，以及社會生活水平大幅度地提高，人們的生活素質(zhì)也有了明顯地提升，最重要是體現(xiàn)在我們環(huán)保意識的逐漸增強，同時，這一改變，對于鋼絲加熱設備今后的發(fā)展，也有著很大的影響。感應加熱設備應用感應加熱技術綠色節(jié)能的優(yōu)勢贏得了用戶，也贏得了市場，更重要的是電磁加熱技術也應用到了越來越多的領域。最大程度地減少熱損失和能量損耗