次級串聯諧振感應電源加熱研究

感應加熱電源具有污染小、效率高、加熱快速、控制方便、生產安全等多方面的優點，在黑色金屬熱處理領域中被廣泛應用。基于感應加熱電源的以上優點，感應加熱熱處理工藝正在被引入到有色金屬熱處理工業生產中去，但是又由于有色金屬通常磁導率低不易被感應加熱，所以在電源的設計方面又會出現一些問題。

  本文著重以次級串聯諧振感應加熱電源為研究對象，通過初級串聯諧振拓撲結構與次級串聯諧振拓撲結構的對比分析，從理論上推導出在有色金屬感應加熱應用中次級串聯諧振拓撲結構的優點所在，得出結論次級串聯諧振拓撲結構更加適合應用于有色金屬感應加熱電源中。

感應加熱基本原理

  感應加熱原理是以焦耳定律和法拉第電磁感應定律為基礎的。放置于時變磁場中的導體，在法拉第電磁感應定律作用下，導體內將產生感應電動勢，導體自由電子開始做定向運動產生感應電流，具有電阻性的導體通過感應電流后會產生熱能而使其自身發熱，根據焦耳定律可得：

式中

  W 為導體產生熱量，單位焦耳（J）；

  I 為導體流過有效電流強度，單位安培（A）；

  R 為導體電阻值，單位歐姆（Ω）；

  t 為電流流過導體時長，單位秒（s）。

  根據法拉第電磁感應定律描述，當導體回路所包含截面區域內的磁通量發生變化，就會在導體閉合回路中產生感應電動勢，進而產生感應電流，感應電動勢可用公式表示為

  式中

  e 為導體閉合回路產生的感應電動勢，單位伏特（V）；   

  N 為導體繞組匝數，無單位量綱；

  ∮為導體閉合回路截面的磁通量，單位為韋伯（Wb）；

  t 為時間，單位秒（s）。

如圖 1.1 所示，當感應加熱電源設備的感應線圈中通過交變電流1i 時，在線圈內會產生交變磁場。而導體工件處于交變磁場中，可將工件看作為單匝線圈，根據法拉第電磁感應定律，在導體工件上會產生一個交變感應電動勢，進而產生感應電流2i 。由于導體工件都具有一定的電阻性，因此又根據焦耳定律，工件將在感應電流作用下迅速產生熱量并對其自身進行熱處理。

 在感應加熱工件截面上，所產生感應電流的密度并非均勻存在，當感應線圈通過交變電流時，在工件截面上產生的感應電流密度由外到內逐漸減小地非均勻分布，越往工件內部電流密度越小，這種電流的趨表現象被稱為趨膚效應。

  感應加熱技術的優點

 目前，感應加熱技術已在金屬表面熱處理、熔煉、焊接等領域得到廣泛應用，日益成為機械加工、冶金、國防等部門的重要能源形式，船舶、汽車、飛機等傳統的制造業也在不斷改造舊式設備，應用更加先進的感應加熱設備。相對于傳統加熱工藝，感應加熱技術之所以被廣泛認可，主要表現為以下優點：

  一、加熱效率高，節約能源，節省成本；

  二、產品加熱溫度容易控制，產品離散性小，質量可靠；

  三、安全性高，避免安全事故對操作工人嚴重的人身傷害；

  四、加熱迅速，能夠短時間內達到加熱溫度，減小金屬氧化程度；

  五、自動控制容易實現，借助數字處理系統，實現智能操作；

  六、操作環境好，極少的煙、塵、噪聲、熱等；

  七、作業空間小，節約場地成本；

  八、可對形狀復雜的工件進行熱處理；

  感應加熱技術發展狀況及發展趨勢

  感應加熱技術的發展狀況

  雖然早在 1831 年電磁感應原理就已經被偉大的科學家法拉第發現，但人類真正使用感應加熱這一技術始于 20 世紀初期，并且在很長一段時間內，感應加熱技術發展緩慢。經過近百年歷史的發展，感應加熱技術取得了長足進步。特別是上世紀 60年代以來，隨著固態電力電子器件的發明與其制造工藝的發展，感應加熱技術又有了飛躍性發展。90 年代開始，國內普遍開始采用IGBT 作為功率開關管研發超音頻感應加熱電源。高頻感應加熱電源的功率容量和工作頻率已與先進水平相當，但是在設備的穩定性、制造工藝水平等方面仍有不小差距。目前，國內設備生產需要的 IGBT、MOSFET 和 SIT 等功率開關器件幾乎全部依賴進口，這使國內生產 IGBT 超音頻電源、高頻電源成本大大增加，在一定程度上制約了我國感應加熱技術的進步與提升。近年來，國際社會上越來越多的科研人員正在為感應加熱技術的深度研究、感應加熱應用領域的拓展付出著艱辛努力。

  感應加熱技術由于其諸多優點，正在被越來越廣泛地應用于現代化工業生產中，促進了生產力的巨大提升，因此國際社會都在越來越關注感應加熱技術的發展，并且投入了大量的技術研究力量.