新型高频感应加热电源理论解析及应用 -ag尊龙app

关键字：高频感应电源 论解 实验进程
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1．感应加热发展历史
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：

（1） 非接触式加热，热源和受热物件可以不直接接触
（2） 加热效率高，速度快，可以减小表面氧化现象
（3） 容易控制温度，提高加工精度
（4） 可实现局部加热
（5） 可实现自动化控制
（6） 可减小占地，热辐射，噪声和灰尘
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。
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。
2． 感应加热应用场合
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（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。
（3） 轻工：罐头以及其它包装的封口，比如著名的利乐砖的封口包装。
（4） 电子：电子管真空除气的加热
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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：  
安培定律：  
其中： ， 
如果采用mks制，e的单位为v，ø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：

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。