高频感应加热的原理.doc

高频感应加热的原理及设备一、 高频感应加热的原理感应加热是利用导体在高频磁场作用下产生的感应电流（涡流损耗）以及导体内磁场的作用（磁滞损耗）引起导体自身发热而进行加热的。 【当金属导体处在一个高频交变电场中，根据法拉第电磁感应定律，将在金属导体内产生感应电动势，由于导体的电阻很小，从而产生强大的感应电流。由焦耳楞次定律可知，交变磁场将使导体中电流趋向导体表面流通，引起集肤效应，舜间电流的密度与频率成正比，频率越高，感应电流密度集中于导体的表面，即集肤效应就越严重，有效的导电面积减少，电阻增大，从而使导体迅速升温】【高频感应加热的原理：导体有电流通过时，在其周围就同时产生磁场，高频电流流向被绕制成环状或其它形状的电感线圈（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，将被加热的金属物质放置在感应线圈内，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流，由于被加热金属物质的电阻产生焦耳热，使金属物质自身的温度迅速上升，从而完成对金属工件的加热】二、 感应加热系统的构成感应加热系统由高频电源(高频发生器)、导线、变压器、感应器组成。 其工作步骤是由高频电源把普通电源（220v/50hz）变成高压高频低电流输出，（其频率的高低根据加热对象而定，就其包材而言，一般频率应在480kHZ左右。）通过变压器把高压、高频低电流变成低压高频大电流。感应器通过低压高频大电流后在感应器周围形成较强的高频磁场。一般电流越大，磁场强度越高。全晶体管高频感应加热设备1、高频感应加热设备现状 高频感应加热设备在我省已得到广泛应 用，设各频率范围在200-450 kHz,高频功率 最大可达400 kW。我省的高频感应加热设备 主要应用于金属热处理、淬火、透热、熔炼、钎焊、直缝钢管焊接、电真空器件去气加热、半导体材料炼制、塑料热合、烘烤和提纯等。现在我省使用的高频感应加热设备都是以大功率真空管（发射电子管）为核心构成单级自激振荡器，把高压直流电能量转换成高频交流电能量，它们的电子管板极转换效率一般在 75环左右，设备的整机总效率一般在50绒以下，水和电能的消耗非常大。自70年代中期后，对高频设备也进行了一系列改进，如: (1)用节能型牡钨烟丝电子管代替老式纯钨灯丝系列电子管，如FV-911代替FV-433 FV-431,FV-89F管等; (2)采用高压硅堆整流代替充汞闸流管整流; (3)采用大功率双向可控硅结合微机调压代替原闸流管调压; (4)根据各自工艺条件重新更改振荡回 路，选择合理的振荡频率。这样，经过一系列改造后，使我省的频设备整机总电效率有一定的提高，在节能方面有一定的效果，但由于振荡电子管这个耗电最大的器件未改掉，所以在节能方面，并不是特别显著。 2、全晶体苍高频感应加热设备电子技术的发展，可谓日新月异。80年代初，日本首先改进半导体生产工艺，开发生产出场控电力电子器件大功率静电感应晶体管(SIT ) ,并设计制成换流桥式的，把直流电能量转换成高频电能量的全晶体管化高频感应加热设备，随后美国、西德等发达国家也迅速研制，使之很快就商品化了。 2. 1大功率静电感应晶体管(SIT)的特点 大功率静电感应晶体管(SIT)是一种大功率电力电子器件，它的符号与三极管相同，作用也相似，但它主要用在大功率换流或导通的控制场合，它具有以下几个特点: (1)具有“正导通”特性，在正栅压为0 V”时，SIT处于导通状态，而在加上负栅压时，则将处于关断状态; (2)开关速度快，可用于高频段; (3)是高输入阻抗的电压控制型器件，所以用较小的驱动功率就能控制较大的功率; (4)SIT元件是高耐压大电流型器件; (5)电流的负温度系数不会使电流集中,从而有利于并联驱动,因此可运用于大功率装置。目前，静电感应晶体管(SIT)的单管功耗有1kW和3kW级的电力电子器件，供组装高频逆变设备. 2. 2全晶体管高频感应加热设备主电路 由静电感应晶体管SIT组装的高频感应加热设备主回路如附图所示,主电路由3部份组成: (1)直流电源部份：该部份是把工频三相交流电转换为直流电，并控制下面几部份。该部份主要由三相晶闸管(SCR)可调电路和直流电抗器La与电解电容Ca组成的直流滤波器组成，调整三相晶闸管整流电路的直流输出电压，可调节该设备的输出功率。输入电压为工频3p380V，最大直流电压可达500 V以上，输出直流可以100100%连续可调。(2)逆变部份：该部份把直流交换为高频交流，并控制后面部份，这部份由电压型单相全桥电路构成，使用1kW或3kW级功耗的SIT作为逆变桥的开关器件，使用同一级功耗的SIT器件组成电路时，设备的功率越大，频率越高，每一桥臂上并联的SIT器件 愈多;R- C。和D.为缓冲电路，当SIT开始 关断而产生浪涌电压，超过这些电路中的直流电压时，二级管D，导通，而电容器C。吸收 该浪涌能量，使逆变桥中的SIT器件安全运行。SIT元件的导通或关断是由设备上所配备的微机和专用程序控制触发信号，控制其导通或关断。 (3)负载回路部份：该部份的功能是把高频功率输向被加热的金属工件上，负载回路是由谐振回路、电流互感器和加热线圈组成， 该电路中的串联谐振回路构成了电压型逆变电路，电容器CT和电感LT两端各产生几干伏以上的高频电压。高频变流器次级侧通常做成单匝，联接着加热线圈L，巨大的高频电流在L。周围所产生，高频磁通使金属工件迅速急剧发热。3、全晶体管化高频与电子管式高频比较 全晶体管化高频感应加热设备在如下几个方面优于电子管式高频感应加热设备。 3. 1工作模式得到彻底改变 电子管高频感应加热设备需将工频 3p380 V升高后，经高压整流器件变换成相应的直流高压才能供给电子管工作，电子管板极内阻大，有大量功率损耗在板极上发热， 而且需要及时加水冷却，同时还需把一部份功率反馈到栅极，并且要较大的灯丝加热功率，这样就有大量的电能损耗在转换之中。而晶体管高频中的SIT电力电子器件，只需较小的驱动功率来控制较大功率换流的产生， SIT元件正向导通压降很小，损耗不大，并且 采用直流500 V的低压工作状态。电子管板极转换效率最高为750o,SIT电力电子器件为9200；全晶体管高频省去了高压整流变压器、高压硅堆；如果多管并用，能使热量分散，只需加少量的水便可，30kW以下小功率高频可减去水冷却，晶体管高频整机总效率比电子管高频要高20000 3.2能源的节约 电子管高频电压转换次数多，电压变化大，而全晶体管高频电压变化不大，在几百伏内变动，不需多次变换电能，所以全晶体管高频比同功率电子管高频节电3000.节水 83沁，如输出为80 kW级(FV-911S)电子管高频，振荡工作时输入功率为158 kW，用 水3 1/s，而同样的输出功为80 kW的全晶体管高频，振荡工作时，输入功率只需113 kW , 用水。. 5 1/s，电子管还另需消耗2. 2 kW的 灯丝加热功率。 3.3设备一与维护 全晶体管高频体积只有电子管高频的1/3,所以设备占地面积也只有1/3，晶体管高!p设备结构简单.工作非常稳定.故障少 (据国内使用厂家介绍，使用2年多没有发现 任何故障)，维修费用低，省去了原电子管高 G r1 r i; 1:需换的1 ?电r管(6,l loo kW高 频为例)，约7 000元，水套(2年更换1只)约 3 500元，每年1次的整流变压器检修、滤油 费约 mo七.整个维修费1年最少可节约1 万多元。因用水量减少，水泵也可根据需要改用较小功率的。 4、国内外研制动态 4. 1国外产品情况 目前在世界上只有少数几个国家的大公司能制造全晶体管高频，如日本的岛田理化工业(株)，富士电波机(株)，电气兴业(株)， 美国的ENI公司，德国的FDF公司，EMA 公司等，产品规格已成系列化，如: 日本的:T系列20-30 kHz 3-50 kW七 种规格， A系列200-300 kHz 2,5,10 kW 三种规格， SST系列20 200 kHz 2.0, 30, 40 kW三种规格， 20150 kHz 50200 kW六种规格， 20100 kHz 300, 400 kW二种规格。 美国的:STATITRON系列50-300 kHz 25一400 kW八种规格 西德的:ELOMAT TGI系歹，j 50-200 kHz 15-240 kW等规格，而且他们还在试制更高频，更大功率的高频设备， 用途已不只是工业.如广播电台，军事通讯等。 4. 2国产化研制情况 我国非常重视国际上这一电力电子器件技术的研究和应用，国家计委、科委、机电部 已确定SIT元件和晶体管高频的研制为“八 五”国家重点科技攻关项目，具体布署了SIT 器件及全晶体管化高频设备整机的同步攻关，目前我国有关科研单位已研制出小功率 0. 1 kW级以下的SIT元件.大功率级的研制还在进行，整机的研制在辽宁电子设备厂进行，目前已研制并出产了几台输出功率为80 kW的全晶体管高频感应加热设备，并在 1993年中国国际计算机设备展览会上演示了他们的产品；现在他们又在研制输出功率为10 kW级的全晶体管高频感应加热设备，估计到1996年研制出样机，输出在80 kW以下的高频感应加热设备频率可达300 kHz o 科学技术在不断进步，电子管高频被大功率晶体管代替是必然趋势，这个日子已不会很长，让我们迎接这个时代的到来，为我省的节能技术工作做出新贡献。高频加热机全称“高频感应加热机”，又名高频感应加热设备、高频感应加热装置、高频加热电源、高频电源、高频焊接机、高周波感应加热机、高周波感应加热器(焊接器)等，另外还有中频感应加热设备、超高频感应加热设备，应用范围十分广泛。 高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，这就是感应加热的原理。 感应加热设备就是利用电磁感应原理，使工件在交变磁场中产生感应电流，利用感应电流通过工件所产生的热效应使工件表面、内孔、局部或整体加热的一种大功率电加热设备。 （一）锻造、轧制类 1 、各种麻类的热轧 2 、标准件、紧固件的执镦。如高强度螺栓、螺帽等。 3 、钎钢、钎具的回火、锻造、挤压等的加热。 4 、不锈钢制品退火、退热。 （二）热处理类 1、各种五金工具、手工工具的热处理。如钳子、扳手、旋具、锤子、斧头等。 2、各种汽车配件、摩托车配件的高频淬火处理。如：曲轴、连杆、活塞销、曲柄销、链轮、凸轮轴、气门、各种摇臂轴；变速箱内各种齿轮、花键思、传动半轴 、各种拔叉 叉等高频淬火处理。 3、各种电动工具上的齿轮、轴等的高频淬火处理。 4、各种液压元件、气动元件的高频淬火的热处理。如柱塞泵的柱塞、转子泵的转子；各种阀门上的换向轴、齿轮泵的齿轮等的淬火处理。 5、金属零件的热处理。如各种齿轮、链轮、各种轴、花键轴、销等的高频淬火 处理。 6、机床行业的机床床面导轨的淬火处理。 热处理 零件淬火 齿轮淬火 不锈钢退火等。 （三）主要技术参数 输出功率：202000kW 20750kW（带淬火变压器） 输出频率：2.5500kH z淬火深度：0.310mm最高使用温度：1250 输出电压：201000V 中频原理：靠感应加热产生涡流,使闭合的电流产生的热量把金属材料融化。