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串联谐振感应加热系统

  感应加热的频率
 
  用于感应加热电源的频率可以从50Hz到几MHz。选择频率首先要考虑的是加热效率和温度分布。其次是熔炼、透热和淬火等不同加热工艺对电源频率的特殊要求。如透热、熔炼等加热工艺要求加热时温度均匀,而淬火则不要求温度均匀只需要满足淬硬层厚度。对于熔炼还需要考虑搅拌力的作用和功率密度。再者,频率高功率大的电源设备一般都比频率低比功率小的价格高。因此,选择电源频率最终需要考虑其综合经济技术指标。
 
  电磁感应的三个效应
 
  电磁感应在导体上产生的交流电流的分布是不均匀的,主要受到三个效应即集肤效应、临近效应和圆环效应的影响。
 
  (1)集肤效应、透入深度△及有效加热层ξ
 
  导线通过直流时,能保证导线中的电流密度是均匀的。但只要电流变化率很小,电流分布仍可认为是均匀的。对于工作于低频的细导线,这一论述仍然是可确信的。但在高频电路中,电流变化率非常大,不均匀分布的状态较为严重。最大电流密度出现在导体的表面层。这种电流集聚于导线表面的现象叫做集肤效应。集肤效应可解释如下:如图2.3(a)所示,当电流通过导体时,在导体的外部和内部都建立了磁场,磁力线的形状是以导体的中心为圆心的同心圆,如果流过的电流是交变的,那么磁场也是交变的,显然与导体表面部分相交链的磁力线,比与导体内部(接近中心部分)所交链的磁力线要少,于是导体中心部分的自感电势,或者说中心部分的电感和阻抗,大于表面部分的电感和阻抗。电流总是沿阻抗最小的路径流动,所以电流会集聚在导体的表面层。
 
  电流频率越高,自感电动势的作用越强,集肤效应也越显著。以上分析的是导体中通入交变电流时电流在导体中产生的集肤现象。另一种情形是导体放在交变电磁场中,也就是感应
 
  加热工件的情形,工件中的涡流也是交变电流,它沿截面的分布也是集聚在工件表面一层。在工业应用方面,对金属进行表面淬火就是利用集肤效应。
 
  (2)邻近效应
 
  相邻两个导体分别通入交流电流时,两个导体会产生磁场,导体除了受自身产生的磁场影响外,还受另一个导体产生的磁场的影响,在这种相互影响下导体内的电流会重新分布。当两导体内电流的方向相反时导体内侧电流密度比较大;当两导体内电流的方向相同时,导体外侧电流密度比较大(如图2.5所示)。这种现象称为邻近效应。
 
  邻近效应原理可解释如下:如果两个平行的导体中流过电流的方向相反时(图2.5(a)),两导体中电流所建立的磁场在两导体之间的方向相同的,因此两导体中间的总的磁场强度增大,而在两导体外侧的磁场强度减弱。两导体之间的磁感线不仅通过空气,而且也穿过导体内部。显然导体的外侧较内侧要交链更多的磁通,因此导体外侧的阻抗值比内侧大。因此导体外侧较内侧电流密度要小。导体间的距离越近,邻近效应越显著。
 
  (3)圆环效应
 
  如果在圆环形螺管线圈通过交流电流时,线圈导体的内侧电流密度会比较大(如图2.6),这种现象叫做圆环效应。导体的径向厚度与圆环直径之比越大,这种效应就越显著。通常磁力线在圆环内集中,在园环外分散,因此导体的外侧较内侧交链较多的磁通,这样导体外侧的电感和阻抗较内侧为大,电流向内侧集聚。感应电炉即是对这几种效应的综合利用。在感应器中置以炉料(见图2.7(a)),在感应器两端施加交流电压,即产生交变磁场。此时感应器本身表现为圆环效应,感应器与炉料间即为邻近效应,而炉料本身表现为集肤效应。感应器和炉料中的电流密度(δ)分布如图2.7(b)所示。
 
  中频电源主电路结构
 
  电力半导体感应加热电源的出现,使感应加热电源无论从外观还是内在电路结构都更加简单。电力半导体感应加热电源电路结构与它的工作频率和功率大小无关,一般是由整流电路、滤波电路、逆变电路及其控制电路和保护电路等组成(见图2.8)。工作时,三相工频交流电经整流电路整流,再经过滤波电路滤波后,变为较平滑的直流传送给逆变器。逆变器部分采用电力半导体作为开关器件,再将直流电转换成负载所需频率的交流电供给负载。
 
  按采用的滤波器不同,中频电源可分为电流型和电压型。电流型采用直流平波电抗器滤波,可获得较平直的直流电流,负载电流为矩形波,负载电压近似正弦波;电压型采用电容器滤波,可获得较平直的直流电压,负载两端电压为矩形波,负载电流近似正弦波。按负载谐振方式分,中频电源可分为并联谐振式,串联谐振式和串并联谐振式三种。本章主要是对中频电源主电路的整流部分和逆变部分分别进行分析和研究,进而提出本课题解决方案。
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