二感应加热基本原理
1.电磁感应原理
1831年，英国物理学家faraday发现了电磁感应现象，并且提出了相应的理论解释。其内容为，当电路围绕的区域内存在交变的磁场时，电路两端就会感应出电动势，如果闭合就会产生感应电流。
利用高频电压或电流来加热通常有两种方法：
（1）电介质加热：利用高频电压（比如微波炉加热）
（2）感应加热：利用高频电流（比如密封包装）
2．电介质加热（dielectric heating）
电介质加热通常用来加热不导电材料，比如木材。同时微波炉也是利用这个原理。原理如图1：
图1 电介质加热示意图
当高频电压加在两极板层上，就会在两极之间产生交变的电场。需要加热的介质处于交变的电场中，介质中的极分子或者离子就会随着电场做同频的旋转或振动，从而产生热量，达到加热效果。
3．感应加热（induction heating）
感应加热原理为产生交变的电流，从而产生交变的磁场，再利用交变磁场来产生涡流达到加热的效果。如图2：
图2 感应加热示意图
基本电磁定律：
法拉第定律：d e N dt φ=
安培定律：Hdl NI ?= 其中：BdS φ=?，0r B u u H =
如果采用MKS 制，e 的单位为V ，?的单位为Wb ，H 的单位为A/m ，B 的单位为T 。
以上定律基本阐述了电磁感应的基本性质，
集肤效应：
当交流的电流流过导体的时候，会在导体中产生感应电流（如图3），从而导致电流向导体表面扩散。也就是导体表面的电流密度会大于中心的电流密度。这也就无形中减少了导体的导电截面，从而增加了导体交流电阻，损耗增大。工程上规定从导体表面到电流密度为导体表面的1/e ＝0.368的距离δ为集肤深度。
在常温下可用以下公式来计算铜的集肤深度：
7.5
δ= 式（1）
图3 涡流产生示意图
从以上可以看到，如果增大电流和提高频率都可以增加发热效果，是加热对象快速升温。所以感应电源通常需要输出高频大电流。
参考文献：fundalmentals of power electronics, R.W .Erickson （讲义）
TPIH2500 Textbook Tetra Pak Technical Training Centre
三 感应加热电源常见框图结构和控制方法
1．感应加热电源常见框图
图1 直流调功方式
图1为感应加热电源的框图，在电网输入情况下，先输入整流，通常用不控整流桥整流，然后用DC/DC变换器直流变换，常见的为buck，boost电路，接着为逆变，通常采用半桥或全桥逆变，而且为了电气隔离，会加入高频变压器。最后部分为LC滤波器，输出接近正弦波的电流。在要求PFC下，直流变换部分通常为PFC级，如果不要求，该级也可以省掉。
图2 逆变调功方式
2．各种控制方法的比较
感应加热电源的调功方式通常分为直流调功和逆变调功。
图1为一种直流调功方式，通过调节DC/DC变换器的输出电压来调节感应加热电源的输出功率。也有采用输入可控整流来调节功率。直流调功可以大范围调节功率，而且功率调节的线性比较好。但是必须在逆变桥前级加可控电路。而且在需要加入功率因素校正的时候，直流调功就较难实现了。
图2为逆变调功方式，逆变调功可以分为三类：
1）频率调制（PFM）
频率调制的方法就是调节逆变开关管的开关频率，从而改变输出阻抗来达到调节输
出功率的目的。这种调功方式比较常用，优点是调节方法比较简单，而且较容易实
现软开关。但是，功率调节线性不好，而且调节范围不大。
2）脉冲密度调制（PDM）
PDM就是通过控制脉冲密度，从而控制输出平均功率，来达到控制功率的目的。
这种控制方法较容易实现，但是由于是间断加热，所以加热效果不好。
3）脉冲宽度调制（PWM）
PWM通过调节逆变开关管的一个周期内导通时间来调节输出功率。这种方法等同
普通开关电源的调制方法，调节线性好，范围大，但是不容易实现软开关。
当然，感应加热的负载通常会随着工作条件的改变而改变特性。这样就会要求电源要监视负载的变化，从而进行调整，比如采用频率跟踪等方法。
电磁感应加热的是感应加热电源产生的交变电流通过感应器（即线圈）产生交变磁场，导磁性物体置于其中切割交变磁力线，从而在物体内部产生交变的电流（即涡流），涡流使物体内部的原子高速无规则运动，原子互相碰撞、摩擦而产生热能，从而起到加热物品的效果。即是通过把电能转化为磁能，使被加热钢体感应到磁能而发热的一种加热方式。这种方式它从根本上解决了电热片，电热圈等电阻式通过热传导方式加热的效率低下问题。 简单说，电磁感应加热的原理就是利用电、磁、热能间的转换达到使被加热物体自身发热的效果。电磁感应加热设备其本质就是利用电磁感应在柱体内产生涡流来给加热工件的电加热，它是把电能转换为电磁能，再由电磁能转换为电能，电能在金属内部转变为热能，达到加热金属的目的，从而杜绝了明火在加热过程中的危害和干扰，是一种环保，国家提倡的加热方案。 感应加热设备专业名词解释： 1、感应线圈又称为感应器 采用紫铜管线材绕成的线圈制作而成。 2、内孔感应器
加热空心内表面用的感应器。 3、感应线圈导磁体 按技术要求需要平面或其他异形工件感应加热的位置，用于改变磁场分布以满足加热要求或减轻感应器邻近物体发热。 4、可调匝比淬火变压器 为了能适应各种淬火工件和感应器的电感而制作的高频变压器。 5、感应淬火机床 用于卡装工件并能根据工艺要求使淬火工件位置能上下移动或旋转的机械装置。 感应加热设备的应用领域： 1、焊接：刃具、钻具、刀具、木工刀具、车刀、钎头、钎焊、铰刀、铣刀、钻头、锯片锯齿、眼镜行业的镜架、钢管、铜管的焊接、截齿焊接、同种异种金属的焊接、压缩机、压力表、继电器接触点、不锈钢锅底不同材料的复合焊接、变压器绕组铜线的焊接、贮藏(气灌嘴的焊接、不锈钢餐、厨具的焊接)。 2、热处理：齿轮、机床导轨、五金工具、气动工具、电动工具、液压件、球墨铸铁、汽摩配、内配等机械金属零件(表面、内孔、局部、整体)的淬火、退
中频炉系列透热炉构造： 中频透热炉一般由感应器、中频电源、变压器、电容等组成。 中频透热炉特点： （1）加热速度快、生产效率高、氧化脱炭少、节省材料与锻模成本 由于中频感应加热的原理为电磁感应，其热量在工件内自身产生，普通工人用中频电炉上班后十分钟即可进行锻造任务的连续工作，不需烧炉专业工人提前进行烧炉和封炉工作。不必担心由于停电或设备故障引起的煤炉已加热坯料的浪费现象。由于该加热方式升温速度快，所以氧化极少，每吨锻件和烧煤炉相比至少节约钢材原材料20-50千克，其材料利用率可达95％。由于该加热方式加热均匀，芯表温差极小，所以在锻造方面还大大的增加了锻模的寿命，锻件表面的粗糙度也小于50um。 （2）工作环境优越、提高工人劳动环境和公司形象、无污染、低耗能 感应加热炉与煤炉相比，，工人不会再受炎炎烈日下煤炉的烘烤与烟熏，更可达到环保部门的各项指标要求，同时树立公司外在形象与锻造业未来的发展趋势。感应加热是电加热炉中最节能的加热方式由室温加热到1100℃的吨锻件耗电量小于360度。 （3）加热均匀，芯表温差极小，温控精度高 中频透热炉功率估算公式： P=（C×G×T）/（0.24×t×∮） 公式说明：P—设备功率（KW）；C—金属比热，其中钢铁比热系数是0.17 G—加热工件重量（kg）；T—加热温度（℃）；t—工作节拍（秒）； ∮—设备综合热效率，一般可取0.5—0.7，异型件取0.4左右。 例如：某锻造厂有锻件坯料为Φ60×150mm，工作节拍为12秒/件（包括辅助时间），初锻温度以1200℃。则需要GTR中频电炉功率的计算如下：P=（0.17×3.3×1200）/（0.24×12×0.65）=359.61KW 根据以上计算，可以配置额定功率为400KW的GTR感应加热设备。感应加热其热量在工件内自身产生所以加热均匀，芯表温差极小。应用温控系统可实现对温度的精确控制提高产品质量和合格率。 中频炉加热装置具有体积小，重量轻、效率高、热加工质量优及有利环境等优点正迅速淘汰燃煤炉、燃气炉、燃油炉及普通电阻炉，是新一代的金属加热设备。 中频炉是铸造锻造及热处理车间的主要设备，其工作的稳定性、可靠性及安全性是流水作业的铸造锻造及热处理生产线正常稳定工作的保证。中频炉在热加工领域有着很好的发展前景如。国内专业的生产中频电炉的厂家东莞市正鑫中频电炉厂是这一领域佼
新型高效变频电磁感应加热技术 一、所属行业：塑料橡胶制造行业等 二、技术名称：新型高效变频电磁感应加热技术 三、适用范围：工业领域加热，特别适用于塑料橡胶制造加工，石油化工、医药食品、染整服装等加热。 四、技术内容： 1.技术原理 通过内部整流滤波电路将市电（50Hz/220v/380v）的交流电变成直流电，再经过PWM(技术核心)控制电路将直流电转换成频率为20-30KHz的高频高压电，高速变化的电流通过加热线圈会产生高速变化的磁场，当磁场内的磁力线通过被加热金属物体（导磁导电物体）时，会在被加热金属物体内产生无数的小涡流，从而使被加热体自身高速发热。是一种新型高效、环保节能的加热方式。 2.关键技术 PWM控制电路及大功率IGBT元器件。 3.工艺流程 五、主要技术指标：
变频电磁加热器与传统加热器比较： 1、热效率95%以上，节电30%-60%。 2、装机容量（功率）可减少40%，大大减少电网负荷。 3、功率密度不受限制，加热温度可以达到600度以上，甚至可达上千度。 4、加热迅速及时，温度控制实时准确。 六、技术应用情况： XX电磁科技有限公司自主开发“工业微电脑变频电磁加热器”已被国家知识产权局授予实用新型专利技术。这一技术已在全国各地推广应用3年，节能效果较为明显。 七、典型用户及投资效益： XX科技有限公司、XX GROUP CO.LTD等。 八、推广前景和节能潜力： 就塑料加工行业而言，中国目前已经成为仅次于美国的第二大国，2008年规模以上企业塑料制品年生产量达37138Kt（2009中国塑料工业年鉴），全国现有塑料生产机械约160万套，加热部分的电容量就达2000万千瓦，全年用电量为600亿千瓦时，且每年仍以15%速度递增。若所有的设备都采用该项节能技术，按最少节能30%计算，全国每年可节约用电180亿千瓦时。
摘要 本文以感应加热为研究对象，简要介绍了感应加热的基本原理和特点，阐述了感应加热技术的现状及其发展趋势。本文主要研究了感应加热器的设计方法。感应加热器是利用工件中的涡流的焦耳效应将工件加热，这种加热方式具有效率高、控制精确、污染少等特点，在工业生产中得到了广泛的应用。如何设置感应线圈的参数使之满足被加热工件中性能要求普遍关注的问题。 传统的设计方法是利用线圈在整个电路中的等效电阻地位，利用一系列电磁学公式计算出线圈的性能参数。然而这种基于实验的系统设计方法却耗时费力，并且测量成本高。因此，近似模拟方法对于感应加热器的设计和研究具有重要意义。 本文的主要工作是建立感应加热器的近似设计方法。从感应加热理论的一系列经过实验数据修正过的理论曲线为依据，根据工艺要求得出相关物理参数，并通过计算得到感应器的设计参数。 关键词： 第一章绪论 1.1 国内外感应加热的发展与现状 随着现代科学技术的发展，对机械零件的性能和可靠性要求越来越高，金属零件的性能和质量除材料成分特新外，更与其加热技术密不可分。例如，加热速度的快慢不仅影响生产效率而且影响产品的氧化程度，局部温度过冷或过热可能导致产品变形甚至损坏等。由于感应加热具有热效率高，便于控制等优点，目前在金属材料加工，处理等方面得到广泛应用。 在工业发达国家，感应加热研究起步较早，应用也更为广泛。1890年瑞士技术人员发明了第一台感应熔炼炉——开槽式有芯炉，1916年美国人发明了闭槽式有芯炉，感应加热技术开始进入实用化阶段。1966年，瑞士和西德开始利用可控硅半导体器件研制感应加热装置。从此感应加热技术开始飞速发展，并且被广泛用于生产活动中。 在我国，感应加热技术起步比较晚，与世界发达国家相比存在较大的差距。直到80年代
GB5959.3 2008电热装置的安全第3部分：对感应和导电加热装置以及感应熔炼装置的特殊要求 GB5959.3—2008/IEC 60519-3:2005 电热装置的安全 第3部分：对感应和导电加热装置 以及感应熔炼装置的特殊要求 1 范围 GB 5959的本部分适用于： ——在工频、中频和高频下对固态炉料进行感应和导电加热的装援（对导电加热，也包括使用直流的情况）； ——在工频、中频和高频下进行感应熔炼、保温和升温的装置； ——该电热装置中受加热部分影响的传送装置或装卸装置的部件。 应用举例： ——为后续热成形和热处理而对摄材、扁锭、棒材、带材、线材、管材、铆钉等进行感应和导电加热的装置； ——具有坩埚式感应炉或沟槽式感应炉的装置。 本部分包括感应和导电加热装置以及感应熔炼装置的通用要求（1～14章），以及对感应和导电加热装置的特殊要求（附录A）和对感应熔炼装置的特殊要求（附录B） 2 规范性引用文件 下列文件中的条款通过GB 5959的本部分的引用而成为本部分的条款，凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本部分，然而，鼓励根据本部分达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本，凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本部分。 GB/T 2900.23--2008 电工术语工业电热装置(IEC 60050-841：2004，IDT) GB/T3984.1--2004 感应加热装置用电力电容器第1部分：总则(IEC 60110-1:1998，IDT) GB 5959.1--2005 电热装置的安全第1部分：通用要求(IEC 60519-1:2003，IDT) GB/T 6115.1--2008 电力系统用串联电容器第1部分{总则(ⅡEC 60143-1：2004，MOD) IEC 60364-4-41:2005低压电器装置第4-41部分:安全防护电击防护1) 3 术语和定义 GB/T 2900.23--2008和GB 5959.1—2005确立的以及下列术语和定义适用于本部分。 3.1 感应加热induction heating 利用感应电流产生的焦耳效应的电加热。 [GB／T 2900.23—2008,841-27-04] 3.2 导融加热conduction heating 电流通过被加热材料的电阻加热。 ————————————
中频感应加热设备优势__中频感应加热设备性能 中频感应加热设备有哪些优点呢？中频感应加热设备具有效率高、对工件具有升温快，易于控制，氧化脱碳少，工艺质量可靠等优点。中频感应加热设备，全部采用进口集成电路模块及绝缘栅双极型功率管。具有加热快、透热均匀、耗电少、安全可靠、节能环保、操作简单等特点，是老式高频设备及可控硅中频加热设备较为理想的更新换代产品。主要用于透热、退火等。下面，我们一起来看文章了解中频感应加热设备的优势及性能吧。 【中频感应加热设备优势】 采用MOSFET、IGBT功率器件和变频控制技术，、节能、输出功率更大； 具备恒定电流和恒定功率控制功能，极大的优化金属的加热过程，实现快速加热，产品优越性得到极大的发挥； 在同等条件下具有比传统电子管高频加热设备省电一倍的效果；
具有100负载设计，可连续24小时不间断工作，可配红外测温实现温度的自动控制，提高加热质量，简化人工操作； 具有加热-保温-冷却三段时间功能设定，可获得所需的加热保温过程，适应批量化、重复性的加热场所； 具有过流、过压、欠水、缺相、负载不适等多种状态显示，提供更高的可靠性和耐用性； 根据功率和频率选择电源，频率越高加热深度越浅，频率越低透热性越好； 【中频感应加热设备说明】 感应加热是根据电磁感应原理，中频大电流流向被绕制成环状或其它形状的加热线圈（通常是用紫铜管制作）。由此在线圈内产生极性瞬间变化的强磁束，将金属等被加热物质放置在线圈内，磁束就会 贯通整个被加热物质，在被加热物质内部与加热电流相反的方向产生很大的涡电流，由于被加热物质内的电阻产生焦耳热，使物质自身的温度迅速上升利用工件中涡流产生的热量进行加热的。它加热效率高、速度快、可控性好，易于实现高温和局部加热。 中频大功率感应加热装置，多年来一直采用可控硅做为开关器件。由于不能自行关断、效率低，负载
ZD系列中频感应加热电源说明书 一、概述 ZD系列中频加热电源是江苏油田工程院的专利产品。（专利号为97220550. 0） ZD系列中频加热电源应用了现代电力电子技术，重量轻，效率高，具有过流、短路等自动保护功能，并且输出功率由温度控制传感器进行自动调节。采用该中频电源的电加热系统通过对输出电压和频率的调节，可以对最大加热长度范围内的任意长度的负载进行加热，具有使用寿命长，效率高，体积小、重量轻等优点。ZD系列中频加热电源可以应用于地面集输管线感应加热和井下空心抽油杆加热。 二、工作原理 中频电源首先将三相380V交流电整流成直流电，并滤波。然后再运用电力电子器件IGBT，把直流电逆变成频率和占空比连续可调的单相中频交流电。最后通过隔离变压器，将单相中频交流电输送给加热负载。 三、型号说明 Z D －□ 额定容量（kVA） 电源 中频 四、使用条件 1、环境温度：－15℃～＋40℃ 2、空气相对湿度不大于90％
3、使用场所无严重的振动，周围环境无灰尘、腐蚀性气体 4、输入电压：三相四线交流电50Hz，380V±10％，机壳接零 五、技术数据（仅供参考） 型号 ZD-10 ZD-20 ZD-35 ZD-50 额定容量 10kVA 20kVA 35kVA 50kVA 输入电压 380V±10％ 380V±10％ 380V±10％ 380V±10％ 输入电流 5～15A 10～30A 15～55A 20～75A 输出电压 0～240V 0～300V 0～400V 0～500V 装置重量 50kg 80kg 110kg 150kg 加热长度＜200米＜400米＜700米＜1000米 六、安装方法 1、中频感应加热电源与油井的距离R≥15m，对轻烃气含量高的油井要求R≥20 m。 2、中频感应加热电源室内安装时，电源装置左右两侧对墙体的距离应≥1m，电源装置后面对墙体的距离应≥0.5m，不得倾斜。 3、中频感应加热电源室外安装时，应放置在一个相应的防雨外壳内，防雨外壳上下通风，不得倾斜，防雨外壳对其它设备的距离应≥1m。 4、中频电源上部接线柱用四芯铜电缆外接三相380V电网，电源装置机壳用接地线可靠接地； 5、中频电源下部的两个接线柱用单芯铜电缆分别引至加热负载； 中频电源型号四芯输入铜电缆规格接地线规格 相线零线 ZD-10 4 mm2 2.5 mm2 2.5 mm2 ZD-20 6 mm2 4 mm2 4 mm2 ZD-35 10 mm2 6 mm2 6 mm2 ZD-50 16 mm2 10 mm2 10 mm2
电磁感应加热 感应加热的性能与特点 与传统的加热方式(如火焰式加热)相比，感应加热具有如下的一些性能特点：具有精确的加热深度和加热区域，并易于控制；易于实现高功率密集，加热速度快，效率高，能耗小；加热温度高，加热温度易于控制；加热温度由工件表面向内部传导或渗透；采用非接触式加热方式，在加热过程中不易掺入杂质；工件材料烧损小，氧化皮生成少。 原理 感应加热方式是通过感应线圈把电能传递给被加热的金属工件，然后电能再在金属工件内部转化为热能，感应线圈与金属工件并非直接接触，能量是通过电磁感应传递的，因而，我们把这种加热方式称为感应加热。 感应加热所遵循的主要原理是：电磁感应、集肤效应、热传导。为了将金属工件加热到一定的温度，要求工件中的感应电流尽可能地大，增加感应线圈中的电流，可以增加金属工件中的交变磁通，进而增加工件中的感应电流。增加工件中感应电流的另一个有效途径是提高感应线圈中电流的频率，由于工件中的频率越高，磁通的变化就越快，感应电势就越大，工件中的感应电流也就越大。对同样的加热效果，频率越高，感应线圈中的电流就可以小一些，这样可以减少线圈中的功率损耗，提高设备的电效率。 在感应加热过程中金属工件内部各点的温度是在不断发生变化的，感应加热的功率越大，加热时间越短，金属工件表面温度就越高，工件中心部位的温度就越低。如果感应加热时间长，金属工件表面和中心的温度通过热传导而趋于均匀。 感应加热设备的选用是根据被加热工件的工艺要求和尺寸大小来决定的。根据被加热工件的材质、大小以及加热区域、加热深度、加热温度、加热时间等工艺要求，进行综合计算与分析，来确定感应加热设备的功率、频率和感应线圈等技术参数。 柔性陶瓷电加热 柔性陶瓷电加热设备是由柔性陶瓷电加热及其温度测量和控制设备组成，其是利用电能激发辐射能并进行加热的装置。当柔性陶瓷电加热器的陶瓷件材料(含涂料)具有高的远红外辐射性能、可充分发挥辐射加热的特点时称为远红外电加热器。 柔性陶瓷片电阻加热，它的原理是利用远红外辐射方式加热。用这种方法进行厚壁管的热处理时，热源先从加热元件向管子外壁辐射传热再从外壁表面向内壁传导热量，由于管道长度方向的热传递散热，使得内外壁产生较大的温差。管子径向远离加热源中心的部位(焊缝根部)的温度与管子表面温度相差较大。 如在对规格为420×70mm，长度为680mm的P22管子进行的内外壁温差的热处理过程中，以柔性陶瓷加热器进行加热，加热温度770℃，保温4h，加热宽度500mm。结果发现，平焊位置内外壁温差为50℃，仰焊位置温差内外壁为30℃，这么大的内外壁温差很难保证
电磁感应加热系统电路设计 * 宋国梅,王永涛 (潍坊学院,山东 潍坊 261061)摘 要:电磁感应加热技术在家电等行业具有广泛的应用。分析了电磁感应加热技术的工作原理,对系统整体功能构成框图进行了研究,设计了主电路结构图和EM I 滤波器电路;系统设计完成了电磁感应加热系统的基本功能,实现了系统的性能设定指标。 关键词:单片机;电磁感应;EM I 滤波 中图分类号:T P212 文献标识码:A 文章编号:1671-4288(2010)04-0034-03 电磁感应加热技术是一种新型的加热技术,它利用高频电加热原理,将交流电转化为高频电流,产生高频磁场,当磁场内磁力线通过绝缘板作用在铁质容器外壳时,磁力线被切割,产生大量小涡流,使铁质容器的自身迅速发热,从而达到加热的目的。它较目前家电中常用的电热丝加热技术、远红外加热技术、微波加热技术等具有无可比拟的优越性。 电磁感应加热技术在热效率、功能、高效节能、电磁辐射等方面是当今家电设计领域中新型的技术。它弥补了电热丝加热技术和微波加热技术不能用在烹饪等领域的不足,也弥补了微波加热技术辐射强的缺点。 1 电磁感应加热的基本原理 图1是最简单的一种变压器电路模型,其初级线圈和次级线圈间功率、电压和电流关系分别满足公式 (1)、公式(2)和公式(3),其中符号P 表示系统的总功率,U 1、I 1、N 1分别表示初级线圈的电压、电流和匝数,U 2、I 2、N 2分别表示次级线圈的电压、电流和匝数。这里,忽略漏磁电流的影响,初级线圈与次级线圈的损耗均由绕组的电阻引起,当次级绕组为短路时,由于负载电流(次级绕组的电流)增大而产生热损耗,如图2所示。由能量守恒定律可知,电源提供的能量与初级线圈和次级线圈的总损耗相等。 图1 一般形式的变压器 图2 次级短路的变压器 P 1=U 1*I 1=U 2*I 2 (1)U 1U 2=N 1N 2 (2)I 1I 2=-N 2N 1(3) 由于电磁感应加热的基本目的是使次级线圈产生的热量最大,因此,感应加热线圈与负载之间的缝隙要设计的足够小,次级线圈要由低阻抗且高渗透性特性的材料制成。非铁金属或不含铁的金属由于其高阻抗和低渗透性会破坏能量的功效,通常不被采用。因此,对于电磁感应加热系统,铸铁、不锈钢等材料能满足上述要求,而陶瓷、玻璃、铝、铜等材料则不能满足要求。 34 第10卷第4期 潍坊学院学报 V ol.10N o.42010年8月 Jo ur nal of W eifang U niv ersity A ug.2010 *收稿日期:2009-12-16 作者简介:宋国梅(1963-),女,山东潍坊人,潍坊学院研究实习员。
摘要 感应加热电源具有加热效率高，速度快，可控性好，易于实现高温和局部加热，易于实现机械化和自动化等优点，目前已在金属熔炼、工件透热、淬火、焊接、铸造、弯管、表面热处理等行业得到了广泛的应用。 本设计研究了中频感应加热及其相关技术的发展、现状和趋势，并在较全面的论述基础上，对2.5kHz/250kW可控硅中频感应加热电源的整流电路以及控制电路进行了设计。本文设计的电源电路可用于大型机械热加工设备的感应加热电源。整流电路采用三相桥式全控整流电路，其电路结构简单，使电源易于推广；控制策略选用双闭环反馈控制系统，改善了信号迟滞的缺点，为以后研制大功率、超音频的感应加热电源打下了基础。 关键词：可控硅中频电源；感应加热；逆变；保护电路
Design of Induction heating power of medium frequency Abstract Induction heating power is equipped with lots of advantages such as high heating efficiency, fast speed ,good controllability, which is prone to make heating of high and partial temperature ，and realize mechanization and automation. At present metal melting, work piece heat penetration, quenching, welding, casting, elbow piece, surface heating processing has been widely applied. Induction heating of medium frequency and development, current situation, and tendency related technology has been studied，and have made quite comprehensive and in the profound elaboration foundation, this article has carried on the design to main circuit and the inversion control of the 2.5kHz/250kW silicon-controlled rectifier intermediate frequency induction heating power. This design is used for big facility of mechanical heating processing. Structure of rectification circuit is easy, which makes power popularized easily. Three-phase bridge rectification circuit is used in Rectification circuit. Rectification circuit uses feedback control of two closed loop, improving the disadvantages. The foundation for inventing induction heating power of big power and super audio is made. Key words：Controllable silicon medium power Induction heating Inverter Protect circuit
PI7800MF 系列中频感应加热电源 大连普传科技股份有限公司 深圳市普传科技有限公司 企划部/工程部 https://www.doczj.com/doc/4517162192.html, 第一部分感应加热与变频电源
普传科技变频技术应用系列—中频电源 一、基本原理 1、集肤效应及感应加热 1.1集肤效应：当交流电流通过导线时,在导线周围产生交变的磁场，处在交变磁 场中的整块导体的内部会产生感应电流，由于这种感应电流在整块导体内部自成闭合回路，形似水的旋涡，称做涡流。 在直流电路内，均匀导线的横截面上的电流密度是均匀的，而当交流电通过导线时，由于交变磁场的作用，在导线截面上各处电流分布不均匀，中心处电流密度小，而越靠 近表面电流密度越大，这种电流分布不均匀的现象称为集肤效应(也称趋肤效应)。交 流电的频率越高，则集肤深度越深，同时其交流阻抗也变大，因此在相同数值的电流作 用下，负载所获得的能量也越高，而电流及线路损耗相应地也会变小，从而提高了加热 效率，同时还可起到节约电能的目的。变频加热电源正是基于这一原理，利用变频技术，可将运行频率提高到工频的数倍，加热效果会明显提高。 1.2感应加热：1831 年法拉第发现电磁感应规律、1868 年福考特提出涡流理论、1840 年焦耳-楞茨确定了电阻发热的关系式Q=I2Rt，构成感应加热之理论基础。 交变的电流产生交变的磁场，再利用交变磁场来产生涡流达到加热的效果。感应 加热的加热效率高、速度快、可控性好，易于实现高温和局部加热。随着电力电子技术 的不断成熟，感应加热技术得到了迅速发展。 在金属加工上，感应加热热处理用感应电流使工件局部加热的表面热处理工艺。这 种热处理工艺常用于表面淬火、局部退火或回火，有时也用于整体淬火和回火。 将工件放入感应器(线圈)内，当感应器中通入一定频率的交变电流时,周围即产生 交变磁场，交变磁场的电磁感应作用使工件内产生封闭的感应电流，感应电流在工件截 面上的分布很不均匀，工件表层电流密度很高，向内逐渐减小,工件表层高密度电流的 电能转变为热能，使表层的温度升高，即实现表面加热。电流频率越高，工件表层与内 部的电流密度差则越大，加热层越薄。在加热层温度超过钢的临界点温度后迅速冷却， 即可实现表面淬火。 2、感应加热的作用及应用 感应加热早期主要用于有色金属熔炼和热处理工艺，其加热效率高、速度快、可控 性好及易于实现自动化等优点，广泛应用于金属熔炼、透热、热处理和焊接等工业生产 过程中，成为冶金、国防、机械加工等部门及铸、锻和船舶、飞机、汽车制造业等不可 缺少的技术手段。如表 1 所列。 感应加热的广泛应用，究其原因，主要是它本身相对于别的加热方式所具有的一些 独特性。 1）加热速度快，可节能。感应加热是从金属内部，透入深度层开始加热，大大节 省了热传导时间。其它加热是从外到内，导热时间长。据实验，加热同一坯料到一定温度，感应加热只需火焰炉加热时间的1/10。 2）加热温度高，是非接触式的电磁感应加热。 3）可进行局部加热，容易控制加热部位。被加热产品质量稳定，加热工件的质量 再现性与重复性好，各种参数容易控制。 4）控制温度的精度高，可保证温差在±0.5%～1%范围内。 5）感应加热的热效率高，一般可达50%-70%，而火焰炉的热效率一般只有30%左右。 6）容易实现自动化控制。
Induction Heater Tutorial 感应加热器教程 3kw An induction heater is an interesting device, allowing one to rapidly迅速的 heat a metal object. With enough power, one can even甚至 melt熔化 metal. The induction heater works without the need for fossil化石 fuels, and can anneal退火 and heat objects of various各种各样 shapes形状. I set out to make an induction heater that could melt steel and aluminum. So far迄今为止 I have been able to feed an input power of over 3 kilowatts! Now that I have done this I would like to share how it works, and how you can build one. At the end of the tutorial I will discuss论述 and show you how to build a levitation coil that will allow you to boil煮沸 metals while suspended in mid air! 一台感应加热器是一台有趣的设备,可以迅速加热金属工件.功率够高时,可以融化金属.感 应加热器不需要石化燃料,可以对工件退火处理,还可以加热各种形状的工件.我制造了一 台可以融化钢和铝的感应加热器.现在功率已经达到了3千瓦!我来教你怎么造一台.在教程 的最后,我将教你造一个可以在半空中融化金属的磁悬浮加热线圈. My induction heater is an inverter. An inverter takes a DC power source and converts it into AC power. The AC power drives a transformer which is coupled耦合 to a series LC tank. The inverter frequency is set to the tank's resonant共振 frequency, allowing the generation of very (high currents高安培电流) within the tank's coil. The coil is coupled to the workpiece工件 and sets up (eddy currents涡电流). These currents, traveling through a conductive, but slightly微小 resistive电阻的 workpiece, heat the piece. Remember, Power = Heat = R*I^2. The workpiece is like a one-turn coil; the work coils has several数个 turns圈. Thus这样, we have a (step-down transformer降压 器), so even higher currents are generated in the workpiece.这样电流就流进工件里去 了. 我的感应加热器有一个逆变器.逆变器可以把直流电转换为交流电.交流电被变压器耦合到 感应线圈和电容组一起组成的振荡器上.逆变器的工作频率决定振荡器的振荡频率.振荡器的感应线圈会感应出非常大的电流.感应线圈又将这些电流产生的磁场耦合到工件上产生涡流电.工件中的电阻,阻碍涡流电的流动,导致工件发热.(详细原理参照变压器中的涡流电).记住,功率=热=R乘以I的平方.工件可以看成一个只有一圈的线圈,而感应线圈有多个线圈,这样一来就可以把感应线圈和工件看成一个变压器回路,工件的电压低,电流就从感应线圈流向工件去了. I would like to acknowledge鸣谢 the invaluable无法估计的 help from John Dearmond and Tim Williams for helping me understand this topic话题. Now, before we talk more, let's see some pictures of what it can do. 谢谢 John Dearmond 和 Tim William大量的帮助,帮我弄明白这个话题.先来看几张图.
电磁感应加热技术的发展 磁感应加热来源于法拉第发现的电磁感应现象，也就是交变的电流会在导体中产生感应电流，从而导致导体发热。1890年瑞典技术人员发明了第一台感应熔炼炉——开槽式有芯炉，1916年美国人发明了闭槽有芯炉，从此感应加热技术逐渐进入实用化阶段。 20世纪电力电子器件和技术的飞速发展，极大地促进了感应加热技术的发展。 1957年，美国研制出作为电力电子器件里程碑的晶闸管，标志着现代电力电子技术的开始，也引发了感应加热技术的革命。1966年，瑞士和西德首先利用晶闸管研制感应加热装置，从此感应加热技术开始飞速发展。 20世纪80年代后，电力电子器件再次快速发展，GTO、MOSFET、IGBT、M CT及SIT等器件相继出现。感应加热装置也逐渐摒弃晶闸管，开始采用这些新器件。现在比较常用的是IGBT和MOSFET，IGBT用于较大功率场合，而MOSFET用于较高频率场合。据报道，国外可以采用IGBT将感应加热装置做到功率超过1000kW ，频率超过50kHz。而MOSFET较适用高频场合，通常应用在几千瓦的中小功率场合，频率可达到500kHz以上，甚至几兆赫兹。然而国外也有推出采用MOSFET的大功率的感应加热装置，比如美国研制的2000kW /400kHz的装置。
我国感应热处理技术的真正应用始于1956年，从前苏联引入，主要应用在汽车工业。随着20世纪电源设备的制造，感应淬火工艺装备也紧随其后得到发展。现在国内感应淬火工艺装备制造业也日益扩大，产品品种多，原来需要进口的装备，逐步被国产品所取代，在为国家节省外汇的同时，发展了国内的相关企业。目前感应加热制造业的服务对象主要是汽车制造业，今后现代冶金工业将对感应加热有较大需求。 一、感应加热特点 感应加热技术具有快速、清洁、节能、易于实现自动化和在线生产、生产效率高等特点，是内部热源，属非接触加热方式，能提供高的功率密度，在加热表面及深度上有高度灵活的选择性，能在各种载气中工作（空气、保护气、真空），损耗极低，不产生任何物理污染，符合环保和可持续发展方针，是绿色环保型加热工艺之一。它与可控气氛热处理、真空热处理少无氧化技术已成为热处理技术的发展主流。 其主要应用有： （1）冶金有色金属的冶炼，金属材料的热处理，锻造、挤压、轧制等型材生产的透热，焊管生产的焊缝。 （2）机械制造各种机械零件的淬火，以及淬火后的回火、退火和正火等热处理的加热;压力加工前的透热。 （3）轻工罐头以及其他包装的封口，比如着名的利乐砖的封口包装。
中频感应加热设备介绍及应用 设备简介 中频感应加热设备采用的串联谐振，即电压型谐振频率跟踪。因此效率较高、功率因数较高。所以有明显的中频感应加热电炉节电效果，加热每吨棒料用电341度。中频感应加热设备前级不可控全桥整流，不会在整流段引起波形的变形，没有关断角的削波现象，并且用大电容滤波，因此谐波数小对电网的干扰小。 工作原理 中频感应加热设备的工作原理是把一根金属圆柱体放在有交变中频电流的感应圈里，金属圆柱体没有与感应线圈直接接触，通电线圈本身温度已很低，可是圆柱体表面被加热到发红，甚至熔化，而且这种发红和熔化的速度只要调节频率大小和电流的强弱就能实现。 中频优势 随着我国工业化进程的飞速发展,感应加热领域也再快速发展.由于环保要求以及煤炭涨价,用焦煤加热不仅不符合环保要求,而且在价格和经济上也非常的不合算.另一方面,目前工业加热还大量使用着KGBS以可控硅为主器件的中频加热设备.功率因数低耗费着大量的电能.随着金融危机的曼延,节能降耗,缩减成本已经成为中小企业非常迫切的问题.于是我们利用近20年的感应加热经验,成功研制出JZ(IGBT)系列节能型中频。 设备特点 1.生产操作简单、进出料灵活、自动化程度高，可实现在线式生产； 2.工件加热速度快、氧化脱碳少，效率高，锻件质量好； 3.工件加热长度、速度、温度等可精确控制； 4.工件加热均匀、芯表温差小，控制精度高； 5.感应器可按客户要求精心制作； 6.全方位节能优化设计，能耗低、效率高，比烧煤生产成本低； 7.符合环保要求，污染小，同时还减少了工人的劳动强度。 设备优势 节约特点 加热速度快、生产效率高、氧化脱炭少、节省材料与锻模成本由于中频感应加热的原理为电磁感应，其热量在工件内自身产生，普通工人用中频电炉上班后十分钟即可进行锻造任务的连续工作，不需烧炉专业工人提前进行烧炉和封炉工作。不必担心由于停电或设备故障引起的煤炉已加热坯料的浪费现象。由于该加热方式升温速度快，所以氧化极少，每吨锻件和烧煤炉相比至少节约钢材原材料20-50千克，其材料利用率可达95%。由于该加热方式加热均匀，芯表温差极小，所以在锻造方面还大大的增加了锻模的寿命，锻件表面的粗糙度也小于50um。 环保特点 工作环境优越、提高工人劳动环境和公司形象、无污染、低耗能感应加热炉与煤炉相比，，工人不会再受炎炎烈日下煤炉的烘烤与烟熏，更可达到环保部门的各项指标要求，同时树立公司外在形象与锻造业未来的发展趋势。感应加热是电加热炉中最节能的加热方式由室温加热到1100℃的吨锻件耗电量小于360度。 精准特点 加热均匀，芯表温差极小，温控精度高感应加热其热量在工件内自身产生所以加热均匀，芯表温差极小。应用温控系统可实现对温度的精确控制提高产品质量和合格率。
感应加热设备技术协议 甲乙双方通过友好协商，甲方向乙方购买感应加热设备6台，双方达成如下的技术协议： 1、设备名称、数量及规格型号： 2、交货日期：合同生效后 2 个月 3、交货地点： 4、供货方式：交钥匙方式 5、买方工况 5.1 电气、电子 50HZ（±1）、380V（±10%）三相五线制交流电或50HZ（±1）、220V（±10%）单相交流电。 5.2压缩空气 压力：0.5-0.8MPa。 质量等级：GB/T13277-91 一般空用压缩空气质量等级三级。 5.3设备使用环境 温度室内设备0℃～45℃，室外设备-20℃～45℃ 相对湿度：≤95%。 防腐要求：满足黄骅港地区海洋气候要求。 海拔高度：≤1000m 6、轴承感应加热器热装设备的用途及详细说明（DN-20） 6.1、设备用途及工作过程 工频感应加热装置是用于机车抱轴箱、轮对轴承热装的铁路专用设备。通过输出工频电源到负载（线圈、轴承内套、前挡环、后挡环）产生电磁感应，将电能转换为热能，对轴承内套、前挡环、后挡环加热，产生热胀效应。 6.2、设备设计制造标准 Q/CAPM002-2001 感应加热工频电源企业标准 6.3、设备主要参数
1 输入 电源：单相AC380V±5% 50HZ 10KW 2 输出 工频额定电压：AC380V 工频额定电流：AC25A 频率：50HZ 3 效率≥92% 4 防护等级：IP20 5控制方式：微电脑控制下可温控或时控。 加热轴承：内径120-300mm，外径≥400mm，宽度≥150mm 时间范围0-999S 加热工件重量：≥250kg 工件加热温度：0～152℃ 6.4、设备的主要特点及结构及详细配置 1 特点 本工频感应加热成套设备具有: 1.1提高装配质量，加热均匀，精度高、能使工件表面硬度内在质量不变。 1.2高工作效率，加热迅速，既能降低工人劳动强度，又提高装配进度，达到文明生产 1.3该工频感应加热电源采用继电器互锁、联锁控制，大大简化了控制电路，可靠性更高；控制、操作方便，便于维护和维修；性能稳定，各种性能达到国内领先水平。 1.4该电源具有零压起动和自动退磁功能。 2 工作原理 2.1 主电路结构
中频加热设备的电流密度都很高，一定采用异型铜管绕制成各种形状的线圈，铜管通水冷却，工件与线圈之间有耐温炉衬，相互组装在一起。 (1) 铜管必须由优质铜材构成，导电性能优良，其杂质越小越佳，在退火状态柔软，不易折断。 (2) 耐火炉衬通常为石英砂组成，Al203含量越高，其耐温性能越高，耐温性好，热传导性越差，热效率也就高，耐温性好，炉衬厚度可以减薄，可以提高电效率，则综合效率也就高。小直径的能耗不低的一个很重要的因素是炉衬厚度不可能做得很薄，在同一个感应炉内加热不同直径的工件，总是直径大时能耗低，直径小者能耗高。 (3) 中频感应加热设备的端板采用铜质，主要是作用是防止电的散射，并开口减少铜端板的损耗。 (4) 其结构由于电流同时流过线圈和工件，因此它们相互间的电动力是相当大，工件在线圈上的炉衬中移动又要承受工件的压力，因此必须使线圈匝与匝之间紧固，防止移动和线圈间的短路，这个紧固必须是牢固的，否则产生低频振动造成噪声，所以线圈匝间要绝缘紧固，必须与端板夹紧固定，似一个完整固体。
往往工频感应加热炉常用玻璃纤维带和其他绝缘复合材料带将线圈铜管包扎起来，并浸漆处理，目的使线圈匝间结构紧密，不产生低频振动。匝间距越小，效率也越高。 (5) 线圈的水路要有足够的水路数，以水在水管中流通成紊流为原则，水路不要有直角弯，它会降低水流流量与速度，降低冷却效果。判断方法以每一个支路水有一定的水温，且每一路流量水温都差不多。如果一路水温偏高，恐怕有焊渣或运行中有杂质堵塞，所以感应炉对每一支路要进行温度监测与控制。每一支路的水温控制在50℃为宜，过高温度冷却水在铜管内侧面汽化将会大大降低冷却效果，过高温度要结垢，最终炉子线圈过温而损坏。 (6) 炉衬材料要防止跌落和开裂，造成的原因是原材料不过关，炉衬材料一般为耐火水泥，水泥一旦吸潮过性，成形为粉末状，成块脱落。工艺不到位，耐火水泥与普通建筑水泥相似，要保养，时间不能少，这个保养是在潮湿环境下的保养，保养时间约48h，不能出现流浆，保养时间不够或流浆，必然会开裂，炉衬有烘干与不烘二种方法。要炉子寿命长，炉衬烘干很重要，核心是慢速烘干，在低温长时间36h的烘干，初始升温要很慢。 (7) 中频感应加热设备的每一个支路的分接头水路支路的焊接为银铜焊，确保焊接牢固不渗水，水路为橡胶管，不用塑料管，塑料管密封性能不佳。 (8) 一般配有通水导轨，导轨寿命长短取决于堆焊材料与厚度。不推荐用喷涂法堆耐磨材质，因为喷涂耐磨粉配方通常为单一不锈钢，不及高温耐磨的焊条，堆焊条的配方成分全面。
南京工程学院教案【教学单元首页】 第15 次课授课学时 2 教案完成时间：2014.2
第七章 热处理感应加热装置 感应加热设备是工程中最常用的工件表面热处理加热设备，在齿轮、气缸等零件的表面处理中应用广泛。 §7.1热处理感应加热装置基本特点 一.感应加热原理 感应器同时加热四个工件 立式感应加热设备 二.中、高频电流特点 1.集肤效应 交变磁场在工件内产生的电动势将在工件内产生闭合电流→涡流→涡流在工件横截面上分布是不均匀的，由工件表面向心部呈指数规律衰减。 假设：距离工件表面x 处涡流的电流强度为I x ，则有：)2exp(0x f c I I x ρ μπ- =，式中I 0为工件表面涡流的电流强度，C 为光速，ρ为工件材料电阻率，μ为工件材料磁导率，f 为感应加热电源频率。 I x -x 的曲线示意图如图所示。
2.邻近效应 3.圆环效应 4.尖角效应 感应圈与工件间距离相同，但在工件尖角处加热强度（速度）远较其他光滑部位强烈，往往会造成过热，这种效应称为尖角效因。尖角效应由于磁力线易于集中在尖角处，感应涡流较大的缘故。 §7.2高频和中频感应加热装置 一.感应加热装置分类 按电流频率分类：高频感应加热装置（100-1000KHz ），常用频率范围为200-300KHz ；中频感应加热装置（0.5-10KHz ），常用频率范围为2.5和8.0KHz 两种；超音频感应加热装置（10-100KHz ），常用频率范围为30-40KHz ；工频感应加热装置，频率为50Hz 简单倍数。
按变频方式分类：电子管变频设备、机式变频设备、半导体（可控硅）变频设备和工频设备。 二.高频感应加热装置工作原理（补充） 高频感应加热装置也称高频炉或高频机，是目前热处理车间应用最多的一种表面淬火加热设备，其实质是一个大功率变频器，通过电子管振荡器将工频交流电变为大功率高频交流电，故又称电子管式高频发生器。电子管式高频感应加热装置工作原理可用下述方框说明： 首先，高频感应加热装置取得三相工频380V电压后，通过高压变压器升压，将380V升高到数千伏甚至一万伏以上；然后再由闸流管可控整流器整流成半压至全压范围内连续可调的直流高压，供给电子管振荡器。电子管振荡器将直流高压电变换为200-300KHz的高频高压电；淬火变压器将高频高压电变为能安全操作并符合加热要求的高频低压大电流。变压器低压端直接接淬火感应圈，放在感应圈内的工件作为振荡器负载，当高频电流流过感应圈时，感应圈内便产生强大高频磁场，金属工件感应产生涡流而发热，在极短时间内被加热到所需的温度。 稳压器起稳定闸流管和振荡管灯丝电压的作用，以保证它们正常工作。 控制电路的作用是使高频操作严格按照程序进行，以确保设备和人身的安全。 三.高频感应加热装置型号及命名方法（补充） 国产电子管式高频感应加热装置型号命名方法为：YG-□-□，YG表示高频电源，第一个数字表示振荡功率/KW，第二个数字表示振荡频率/KHz。 老式命名法：GP□-CR□，GP表示高频，第一个数字表示振荡功率/KW；C表示淬火；R 表示熔炼；第二个数字表示型号顺序。 表示振荡功率为60KW，既可淬火又可熔炼的高频感应加热装置；GP100-C3 表示振荡功率为100KW，专用于淬火的高频感应加热装置。 四.感应圈设计 感应圈设计依据：1）工件形状尺寸；2）热处理技术要求；3）淬火机床精度；4）汇流排间距等。 设计内容包括感应圈形状、尺寸、圈数（单匝还是多杂）、感应圈与工件间的间隙、汇流排尺寸与连接方式、冷却方式等。