厂长经理会议暨第七次质量工作会议论文感应加热设备的原理与应用 天津市金能电力电子有限公司，天津300221一、概述 随着工业技术的不断进步和发展，感应加热设备的应用领域在不断扩大，感应加 热设备是利用大功率电子管、SCR、MOS、IGBT等晶体管组成震荡器。通过它把50Hz 的工频电流转换成1- OKHz的中频、超音频、高频电流，这个高频电流在淬火变压器里形成强大的电磁场，被加热金属在这个电磁场里，由于涡流和磁滞损耗而发热， 使金属达到800- 1200。C的高温。下面分别说明各部分的工作原理。二、感应加热原理 1、感应电流在导体中的分布与集肤效应 高频电流流过导体时，沿导体截面分布，并在导体表面形成强大的涡流，涡流在 导体中的分布规律是，导体表面的涡流最大，越深入导体内部涡流越小。这种现象称 之为集肤效应，或趋表效应。金属表面的热处理正是利用这种原理，使被加热工件的 表面达到金属组织改变，实现淬火的目的，而工件的内部保持原有组织不变，即外面 有很强的硬度里面还保持原有的柔性。 集肤效应：一个放置在外磁场中的圆柱形工件，靠近中心部分的圆环(即涡流回 路)，其环内包围的磁通少，故自感电势小，涡流也就小。靠近导体表面的圆环，其内 部包围的磁通多，故自感电势大，涡流也就大。 从能量转换的观点也容易理解产生集肤效应的原因，由于导体内部电阻率p0， 所以有能量损耗，即有电磁能转变成热能，因此当电磁波进入导体内部时，随着至中 心的距离的增大，引起由导体表面到中心电磁能量的逐渐减小。 当有高频电流流过感应器(线圈)时，在圆柱金属工件内要产生涡流，此涡流沿 横截面由表面至中心按指数规律衰减。 工程上规定，当涡流强度从表面向内层降低到其数值等于表面最大涡流强度的 0．368时，该处到表面的距离8称为电流透人深度。这样规定是由于分布在工件表面的 涡流，并不能全部用于使工件表面加热，而是有一部分热量被传到工件内层的芯部损 耗了，还有一部分热量向工件周围热辐射损失掉了，由于涡流所产生的热量与涡流的 平方成正比，因此由表面至心部，热量下降速率要比涡流下降速率快得多，按上述规 定计算可认为(85—90)％的热量发生在厚度为8的薄层内。 钢的相对磁导率，随着温度的增加将急剧下降，常温下一般为100(在非常强磁场 16—感应加热设备的原理与应用 状态下约为16)，过居里点温度以后将下降为1左右。所以，钢在加热的初期其透人深 度很浅，温度升高后其透人深度要增加很多。 当材料的电阻率p、相对磁导率u给定后，透人深度8仅与频率f的平方根成反比， 因此8可由频率f来控制。当p、f给出后，6与u的平方根成反比，所以磁性材料( 的值要小得多，故磁性材料的屏蔽效果要比非磁性材料要好得多。 如果用铜或钢作为高频电流的载流导体，由于高频电流有一定的透入深度，即电 流集中在导体表面，因此有效载流截面积小于导体截面积，亦即高频时的电阻大于直 流或低频时的电阻。为了减少载流导体的损耗，必须尽可能减小高频电阻，由于铜的 电阻系数比钢要小，故常用铜质材料作为高频载流体。又由于高频电流趋表，导体中 心部分无电流流过，所以常以空心铜管(圆形截面或方形截面)作为高频载流体。在 大功率振荡器中，空心铜管还可以通水冷却，以降低铜管的温升。 2、高频电流在载流导体中的分布特性与邻近效应 如果载流导体是单根导体，或者两根相距很远的导体，则每根导体被对称的磁场 所包围，此时导体的电流集中分布在表面的一个不太深的区域里，这也是高频电流的 集肤效应。 邻近效应：如果两根载流导体靠得很近，当两根导体中的电流方向相反时，磁场 则密集在两根导体之间的区域，电流密集在两根导体相邻的内表面；当两根导体中的 电流方向一致时，磁场则密集在两根导体的外侧区域，于是磁场能量在导体的外侧面 按指数规律衰减，所以电流密集在外侧面。这种现象我们称之为邻近效应。频率越高， 两导体靠得越近，邻近效应越显著。 根据高频电流的邻近效应，可以选择适当的感应器形状，利用反向电流互相邻近 作用，实现对淬火工件的局部表面的集中加热；利用同向电流互相背离的作用，实现 对内孔等表面的集中加热。在环状感应器中加热时，由于内置工件位置的偏移，或者 圆环状感应器圆度不够理想，致使工件局部区域的邻近效应(感应器中的电流和工件 表面产生的感应电流——涡流的方向总是相反的，也产生邻近效应)特别显著，电流 过分集中，致使该处温度较处温度为高。为了避免这种现象，生产中采用工件旋 转加热的方法来防止。 环状效应：高频电流沿圆环状导体流过时，磁力线密度最大的地方是圆环的内表 面，电流集中于导体的内侧这种表面效应称为环状效应。环状效应对圆柱体外表面进 行感应加热时，起着有利的作用，而对内孔进行感应加热时，环状效应是不利的。加 热圆柱零件的外表面和圆孔零件内表面时，两者的加热效率相差甚大。在加热圆柱零 件外表面时，工件加热剧烈，升温很快，加热区较宽。而加热圆孔内表面时，加热缓 和，升温很慢，且加热区较窄。虽然两种情况的间隙均一样，由于圆环效应的作用， 高频电流集中于感应器的内侧，在内孔表面加热时，其真正的间隙远大于d，因此内孔 一117一 厂长经理会议暨第七次质量工作会议论文 表面的涡流强度将远小于圆柱表面的涡流强度，至使圆孔内表面加热较为缓和。如何 提高内孔加热的效率呢?需要利用导磁体的槽口效应。 导磁体的槽口效应： 一根矩形截面的铜导体，将其放在导磁体的槽口之中，当高频电流通过导体时， 电流将只在导磁体开口处的导体表面层流过，这一现象称为导磁体的槽口效应。 导磁体具有很高的磁导率，磁阻很小，通电导体产生的磁力线，将集中穿过槽口 底部的导磁体，显然在槽口底部的导体交链了最多的磁通，产生了最大的自感电动势， 同理在槽口开口处的导体产生了最小的自感电动势，于是高频电流在这里流过。 利用导磁体的槽口效应，我们可以将高频电流驱逐到圆环感应器的外表面，这样 可以提高内孔表面的加热效率。 三、感应加热设备的应用 感应加热设备主要应用于钢制工件的表面淬火、回火、透热、熔炼等。具体应用 范围见下表： 1、淬火深度与频率的关系：淬火深度与频率成反比关系，经验规律如下： 频率 1000 2000 3000 8000 70000 200000 500000 深度nl nl 3．5—20 2．3—15 1．3一12 1．1—7 0．8—3．5 0．15—1．5 0．05一l 2、圆形钢件用于透热频率： I电源频率I-lz 50 500 1000 2500 8000 30000一300000 I工件直径如 160 70—160 50—120 30—80 15．．40 15 四、固态电源( IGBT) MOS)设备的组成 概述： 全固态高频感应加热装置是国际八十年代中后期开发的节能效果显著的新技术、 新产品。核心采用新型电力电子器件场效应晶体管，使装置全固态化。与国内外目前 普通生产使用的电子管为核心的装置相比，转换效率由50％提高到85％，还可节省大 量钢材及有色金属，体积减少二分之一以上，节水46％，还有安全、可靠、耐用、宜 于采用微电子技术实现自动化控制的特点。 全固态感应加热装置的开发实现了我国感应加热装置领域技术变革，它将逐步替 代几十年来长期使用的高耗能传统电子管式装置。技术水平在国内外处于领先地位。 天津市金能电力电子有限公司引进日本DDK公司技术与自主研制开发了30一 400KHz，10—250KW系列全晶体管式高频感应加热设备，并投放市场。 采用新型大功率电力电子器件MOS、IGBT开发的全固态高频、中频、超音频感应 加热电源，是国际九十年代的新技术、新产品。天津市金能电力电子有限公司引进具 有当代国际先进水平的日本电气兴业株式会社技术，生产MOS、IGBT全固态高频、中 频、超音频系列电源，实现了我国全固态高频、中频、超音频感应加热电源技术的突 感应加热设备的原理与应用 破性变革。 本系列全固态电源，频率范围为10KHz- 400KHz。最大功率可达500kW，可完全替代高耗能电子管式感应加热电源、发电机式中频电源和晶闸管式中频电源。 全固态MOS、IGBT系列电源技术先进，高效节能，具有以下特点： 高效节能，整机效率85％、电子控制及监控保护系统完备可靠。可频繁启动， 安全可靠，启动成功率100％、输出可进行恒功率、恒电压、恒电流控制。负载适应范 围宽，调整方便。主要功率器件均为进口，维护费用低，操作简单，保养方便。 与电子管式设备相比，固态电源设备的优点是： 转换效率高，节能显著。由于晶体管在开闭状态下工作，晶体管的损耗小，整机 效率大于85％。体积小，重量轻，节材显著。工作电压低，操作安全，设备故障少， 晶体管式的使用电压为DCO．2珈．5KV，运行安全，可靠性高，便于维护。负载适应范 围宽，调试简便。主要器件寿命周期长。系列化、单元化、积木化的结构，安装替换 容易，检修维护方便。 作者联系方式： 电线 E—mai ：

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