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。长期以来,技术人员都对这一现象有较好了解,并且在各种场合尽量抑止这种发热现象,来减小损耗。比较常见的如开关电源中的变压器设计,通常设计人员会用各种方法来减小涡流损耗,来提高效率。然而在19世纪末期,技术人员又发现这一现象的有利面,就是可以将之利用到加热场合。来取代一些传统的加热方法,因为感应加热有以下优点:
由于感应加热具有以上的一些优点,大量的工程技术人员对此进行了研究,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。而后,20世纪电力电子器件和技术的飞速发展,极大的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。同时,也引发了感应加热技术的。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。
80年代后,电力电子器件再次飞速发展,GTO,MOSFET,IGBT,MCT,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50K。而MOSFET较合适高频场合,通常在几千瓦的中小功率场合,频率可达到500K以上,甚至几M。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。
国内的电力电子技术起步比较完,所以感应加热技术也落后于国外很多。但是由于市场前景广阔,所以研制的感应加热的技术人员逐渐增加。国内在此领域处于领先地位的为浙江大学,但是离国外先进技术还有相当距离。
(1) 冶金:有色金属的冶炼,金属材料的热处理,锻造、挤压、轧制等型材生产的偷热;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。
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。
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。
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:
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。
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的距离为集肤深度。
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。