洛阳理工学院毕业设计（论文）
第2章 感应加热技术
2.1 感应加热的工作原理
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。
2.1.1 感应加热
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
13
洛阳理工学院毕业设计（论文）
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：e?Nd?dt
安培定律：?Hdl?NI 其中：???BdS，B?uru0H
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。
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： ??式（1）
14
7.5fcm
洛阳理工学院毕业设计（论文）
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。
感应加热电源根据补偿形式分为两种，并联谐振式(电流型)电源 和串联谐振式(电压型)电源。
图2.1感应加热电源主电路图
并联谐振式电源采用的逆变器是并联谐振逆变器，其负载为并联谐振负载。通常需电流源供电，在感应加热中，电流源通常由整流器加一个大电感构成。由于电感值较大，可以近似认为逆变器输入端电流固定不变。交替开通和关断逆变器上的可控器件就可以在逆变器的输出端获得交变的方波电流，其电流幅值取决于逆变器的输入端电流值，频率取决于器件的开关频率。
串联谐振式电源采用的逆变器是串联谐振逆变器，其负载为串联谐振负载。通常需电压源供电，在感应加热中，电压源通常由整流器加一个大电容构成。由于电容值较大，可以近似认为逆变器输入端电压固定不变。交替开通和关断逆变器上的可控器件就可以在逆变器的输出端获得交变的方波电压，其电压幅值取决于逆变器的输入端电压值，频率取决于器
15
洛阳理工学院毕业设计（论文）
件的开关频率。
串联谐振逆变器和并联谐振逆变器的差别，源于它们所用的振荡电路不同，前者是用L、R和C串联，后者是L、R和C并联；
(1)串联谐振逆变器的输入电压恒定，输出电流近似正弦波，输出电压为矩形波，换流是在晶闸管上电流过零以后进行，因而电流总是超前电压－φ角。
并联谐振逆变器的输入电流恒定，输出电压近似正弦波，输出电流为矩形波，换流是在谐振电容器上电压过零以前进行，负载电流也总是越前于电压 －φ角。这就是说，两者都是工作在容性负载状态。
(2)串联谐振逆变器在换流时，晶闸管是自然关断的，关断前其电流己逐渐减少到零，因而关断时间短，损耗小。在换流时，关断的晶闸管受反压的时间较长。
并联谐振逆变器在换流时，晶闸管是在全电流运行中被强迫关断的，电流被迫降至零以后还需加一段反压时间，因而关断时间较长。相比之下，串联谐振逆变器更适宜于在工作频率较高的感应加热装置中使用。
(3)串联谐振逆变器起动较容易，适用于频繁起动工作的场所；而并联谐振逆变器需附加起动电路，起动较为困难，起动时间长。至今仍有人在研究并联谐振逆变器的起动问题。
串联谐振逆变器晶闸管暂时丢失脉冲，会使振荡停止，但不会造成逆变颠覆。而并联谐振逆变器晶闸管偶尔丢失触发脉冲时，仍可维持振荡。
(4)串联谐振逆变器并接大的滤波电容器，当逆变失败时，浪涌电流大，保护困难。但随着保护手段的不断完善以及器件模块本身也有自带保护功能，串联谐振逆变器的保护不再是难题。
并联谐振逆变器串接大电抗器，但在逆变失败时，由于电流受大电抗限制，冲击不大，较易保护。
(5)串联谐振逆变器感应线圈上的电压和补偿电容器上的电压，都为谐振逆变器输出电压的Q倍。当Q值变化时，电压变化比较大，所以对负载的变化适应性差。流过感应线圈上的电流，等于谐振逆变器的输出电流。
并联谐振逆变器的感应线圈和补偿电容器上的电压，都等于逆变器的输出电压，而流过它们的电流，则都是逆变器输出电流的Q倍。逆变器器件关断时，将承受较高的正向电压，器件的电压参数要求较高。
(6)串联谐振逆变器的感应加热线圈与逆变电源(包括补偿电容器)的距离较远时，对输出功率的影响较小。而对并联谐振逆变器来说，感应加热线圈应尽量靠近电源(特别是补偿电容器)，否则功率输出和效率都会大
16
洛阳理工学院毕业设计（论文）
幅度降低。
综合比较串、并联谐振逆变器的优缺点，决定对串联谐振式电源进行研究。
2.1.2 感应加热三大效应
在感应加热设备中存在着三个效应——集肤效应、近邻效应和圆环效应。
集肤效应：当交变电流通过导体时，沿导体截面上的电流分布式部均匀的，最大电流密度出现在导体的表面层，这种电流集聚的现象称为集肤效应。
近邻效应——当两根通有交流电的导体靠得很近时，在互相影响下，两导体中的电流要重新分布。当两根导体流的电流是反方向时，最大电流密度出现在导体内侧；当两根导体流的电流是同方向时，最大电流密度出现在导体外侧，这种现象称为近邻效应。
圆环效应：若将交流电通过圆环形线圈时，最大电流密度出现在线圈导体的内侧，这种现象称为圆环效应。
感应加热电源就是综合利用这三种效应的设备。在感应线圈中置以金属工件，感应线圈两端加上交流电压，产生交流电流I1，在工件中产生感应电流I2。此两电流方向相反，情况与两根平行母线流过方向相反的电流相似。当电流I1和感应电流I2相互靠拢时，线圈和工件表现出邻近效应，结果，电流I1集聚在线圈的内侧表面，电流I2聚集在工件的外表面。这时线圈本身表现为圆环效应，而工件本身表现为集肤效应。
交变磁场在导体中感应出的电流亦称为涡流。工件中产生的涡流由于集肤效应，沿横截面由表面至中心按指数规律衰减，工程上规定，当涡流强度从表面向内层降低到其数值等于最大涡流强度的1/e(即36.8% )，该处到表面的距离△称为电流透入深度。由于涡流所产生的热量与涡流的平方成正比，因此由表面至芯部热量下降速度要比涡流下降速度快的多，可以认为热量(85～90%)集中在厚度为△的薄层中。透入深度△由下式确定：
??2?/????/??0?rf(mm) （1-6）
式中: ρ——工件电阻率（Ω?m ）, μ。——真空磁导率4π×
17