感应加热的基本知识

感应加热的基本知识                    

1．感应加热的应用

自工业上开始应用感应加热能源以来，已过了将近80年了。在这期间，感应加热理论和感应加热装置都有很大发展，感应加热的应用领域亦随之扩大，其应用范围越来越广。

在应用方面，感应加热可用在金属熔炼，热处理和焊接过程，已成为冶金，国防，机械加工等部门及铸，锻和船舶，飞机，汽车制造业等*认的能源。此外，感应加热也已经或不断地进入到我们的家庭生活中，例如微波炉，电磁炉，都是用感应加热为能源。        

2．感应加热的原理

a导体的感应加热

导体的导电构主要是自由电子。如在导体上加电压，这些自由电子便将按照同一方向从一个原子移到另一个原子而形成电流。电子在移动过程中会遇到阻力，阻力越大电流越小，一般用电阻率P来表示导体的导电性能。由于电阻的存在，电流流过导体时，都会引起导体发热，根据焦耳-楞茨定理可得：Q=I2Rt

式中Q----导体的发热量；

     I-----通过导体的电流强度；

     R-----导体的电阻；

     t-----电流通过导体的时间。

在导体中流过电流时，在它的周围便同时产生磁场。通过的电流为直流时，产生的磁场是固定的，不影响导体的导电性能：而通过交流电时，产生的磁场是交变的，会引起集肤效应(或称趋肤效应)，使大部份电流向导体的表面流通，既有效导电面积减小，电阻增加。交流电流的频率愈高，集肤效应就愈严重，由上式可知，在电流I不变的情况下，由于电阻增加，使导体的发热量增加。同时，由于电流沿表层流通，热量集中于导体的表层，因此可以利用高频电流对导体的表面进行局部加热。

同样，在高频电流通过彼此相距极近的导体，或者将直导体变成圆环，绕成线圈时，其电流密度也会发生相应变化，引起所谓邻近效应和环形效应，无论是集肤效应、邻近效应和环形效应都是由于导体中流过交流电时，在导体周围形成交变磁场，从而在导体中产生自感电动势迫使电流发生重新分配的结果。导体周围磁场的强弱直接和电流强度成正比。因此，平行放置的两根导体，在其电流为同方向时，则两根导体外侧磁场较内侧强，内侧中心的磁场强度几乎为零。两根导体流的电流是反方向时，则两导体内侧磁场强。如果将导体绕成线圈并通以高频电流，则线圈内侧磁场较外侧强。

如果将材料放在高频磁场内。(例如放到高频电流的线圈内部)，则磁力线同样会切割材料，在材料中产生感应电动势，从而产生涡流。涡流也是高频电流，同样具有高频电流的一些性质。由于材枓具有电阻，结果使材枓发热，用感应涡流的热效应加热，叫感应加热

b电流透入深度

把金属圆柱体放在流着电流的线圈中，尽管我属圆柱没和线圈接触，线圈本身的温度也很低，可是圆柱表面会被加热到发红，甚至熔化。这是由于电磁感应作用，在金属柱中感生与线圈电流方向相反的涡流，在涡流的焦耳作用下，金属自身发热升温，这就是感应加热的原理。金属圆柱中的感生电流的分布。这种分布以表面强，在径向从外到内按指数函数方式减小。这种电流不均匀分布的现象，随电流频率升高而显著。

涡流密度降为表面电流密度的1/e的深度，定义为电流透入深度。在电流透入深度范围内吸收的功率，为金属圆柱吸收总功率的86.5%，因此，&便成为选择加热电流频率的重要参数。

常用铜管绕成感应线圈，从技术指导考虑，用铜管的佳壁厚为1.57&，一般应取铜管壁厚1.3&                                

3.感应加热的频率

用于感应加热的电源频率可为50Hz到几MHz。选择频率的重要依据是加热效率和温度分布。其次是要考虙熔炼、透热和淬火等各种加热工艺对电源频率的一些要求。熔炼、透热加热工艺要求加热温度均匀，而淬火则不需要加热温度均匀，却要求满足淬硬层厚度。对于熔炼还需考虑功率密度和搅拌力。再者，频率高的电源设备一般都比频率小的价格高，功率大的设备必定比功率小的价格高。因此，选择电源频率终需考虑综合经济技术指标。

在实际设计中，往往选用较上两式算出的频率高一档的电源，因为频率高得多，会引起炉料的温差过大，反而会使加热时间增长。

在炉料性质(粘度、密度、电阻率等)相同的情况下，搅拌力与加热功率成正比，加热功率越大，搅拌越激烈；升高电源频率，搅拌减弱；坩埚体积增大，搅拌也减弱。为满足工艺要求，搅拌必须适度。因此，为了获得所需的熔化率，就得确保必要的加热功率。在炉子容量已定的情况下，为了满足熔化率的要求，且达到适度的搅拌，则电源频率就不能低于某一定值，这是为熔炼炉选择电源频率时需考虑的附加条件。换言之，相对于每一级频率，炉子量有一界限，在此界限内，炉子工作的技术经济指标就高。

4.感应加热装置综述

概述

随着电力半导体器件的开发和电力电子技术的不断发展，感应加热装置的面貌也日新月异，尤以装置的体积，重量和性能方面化为突出。例如：同频率、同容量(50KW)的晶体管式高频装置与电子管式高频装置相比，体积缩小2/3，重量减轻2/3，冷却水消耗量节约1/2，节约耗电量超过1/2，效率提高45%；而且前者寿命长，安全可靠，易实现自动控制，有利于提高加热质量，维护工作量小，可随用随开；后者则需预热后才能投入运行，维护费用高。

半导体式感应加热装置的出现使感应加热用的频率选择概念发生很大变化，电子式感应加热装置的频率等级少，不能根据加热的工艺的要求选择更合适的工作频率，往往不得不迁就频率而牺牲。而半导体式感应加热装置的频率应变性*，还具有频率自动跟随负载变化的特性，可以选择理想的工作频率，使装置效率高，从而达到节能、省时的目的。从节能角度出发，频率等级是似乎越细密越好，但是过细、过密就涉及到配套的协调问题。幸好同一频率等级的半导体式感应加热装置的实际工作频率，允许在一定范围变化。在一般情况下至少允许围绕频率等级值变化20%。加热工艺对工作频率的要求虽高却不苛刻，因此，结合目前内外情况可以打破现有的频率等级划分，即使暂时做不到，也应逐渐向下列频率等级靠拢

10kHz,20Khz,30kHz,40kHz,50kHz,75kHz,100kHz,150KHz,200kHz,300kHz,

400kHz,500kHz.另外，就可预见的电力半导体器件发展情况来看，近期不太可能满足开发500kHz以上感应加热电源的要求，这一频段暂时还只能用电子管振荡器去实现。可将上述频率等级中500Hz以下的称为低频，1~10KHz称为中频，20~75KHz称为超音频，100KHz以上称为高频。这种划分更符合中国的习惯，也较科学。

应该指出，符合前述频率等级的感应加热装置，全都可以用电力半导体器件。                                                  

5.电力半导体器件的比较和选择

电力半导体器件种类繁多，各有特点。实践中，应根据感应加热装置的频率和容量，以及目前巳商品化的电力半导体器件的开关速度高低，单管或单个模块的容量大小，价格高低选用。

为方便起见，下面将各种电力半导体器件性能特点和关键参数作粗细比较：

(1)允许高工作电压。无论是晶体管还是晶闸管都能满足以三相380伏、50Hz作进线电源的高频装置对电力半导体开关的要求。因为晶体管中，除VMOS管高允许电压只1000V外，其他几种都在1200V以上，所有的晶闸管都能达到几千伏水平，还适于更高进线电压(如，575V或1000V)的感应加热装置中使用。

(2)允许大工作电流。总的来说，已商品化的晶闸管的大工作电流比晶体管的都大，可达千安以上。在晶体管中，以IGBT大的180A，VMOS小，耐压能到1000V的30A左右。

(3)通态压降。晶闸管的通态压降普遍低于晶体管，因比，导通损耗也小。晶体管中，以GTR的小，其次是IGBT，一般只有几伏。SIT和工作在额定电流时则在十几伏以上，导通损耗相当可观，只是由于它们的允许工作频率高，在100~500KHz区段，还没能为其他器件所代替。实际上，SIT和VMOS的导通呈电阻特性，它们的通态压降是随工作电流变化的，SIT的通态电阻比VMOS的小，因而功耗也小。

(4)工作频率。晶体管和晶闸管的适用工作频率和容量。

(5)驱动功率。总的来说，晶体管中除GTR属电流驱动，驱动率大外，其他晶体管(IGBT，VMOS和SIT)都属电压驱动，驱动功率小。相对晶体管(除GTR外)而言，晶闸管的驱动功率大，而且GTO和SITH的驱动电路复杂，以GTO的驱动功率大。

(6)对缓冲电路的要求。晶闸管中以GTO对缓冲电路的要求较高，其次是SITH，晶体管中则以GTR和IGBT对缓冲电路要求高，SIT和VMOS管也要求设置必要的缓冲电路。

(7)串并联使用的难易程度。由于晶闸管的单管容量大，除非要制造特大功率的装置，一般都无需串联或并联使用。而晶体管一般都不能串联使用，但因单管电流容量小，经常要并联使用。特别是SIT和VMOS，他们在感应加热装置中几乎都需要并联，幸而这两种管子都极易并联使用。

(8)有无自关能力。一般快速晶闸管虽然没有自关能力，需用换电流关断电路，但在感应加热装置中，由于有改善炉子功率因数用大容量的匹配电容器，晶闸管可以利用谐振能量进行换流，无需特意设置换流电路。所以，没有自关能力的晶闸管也不会妨碍其在感应加热装置中的使用，而它却有高压、大电流，低损耗、价廉等突出特点。此外，具有自关能力的晶闸管或晶体管，除在关断能力上有一定优势，有可能使逆变效率稍增外，在其他方面均不如快速晶闸管。因此，在适用晶闸管的频段内，应优先选用晶闸管。

(9)价格。就目前市场价格来说，装配同容量的感应加热装置，在开关器件方面的花费，则是用晶体管的比用晶闸管的高，便宜的是用SCR(高频)，贵的是SIT和VMOS。

综上所述，为了获得较好的技术经济指标，10kHz以下、几百kW以上的大功率感应加热装置，宜选用晶闸管。其中5kHz以下者，应尽量选用SCR(高频)；5kHz以上者，可用SITH。10kHz以下小功率感应加热装置，也可以选用IGBT，只是成本稍高些；10~50kHz频域感应加热装置应尽量选用IGBT，只有高于50kHz的，才应考虑选用SIT或VMOS。总之，在开发新的感应加热装置时，应优先考虑选用SCR(高频)、T杪，其次是选用SITH和VMOS，好不用GTR和GTO。因为后两者的驱动功率大，驱动电路复杂。从总体看，IGBT优于GTR，SITH优于GTO。从发展情况看，刚刚显露的MOS控制晶闸管(MCT，MCTH)，由于其具有通态压降低、驱动功率小、开关速度快等一系列优点，会象IGBT取代GTR一样，有可能*取代GTO和SITH的位置。其实，与SCR和IGBT相比，MCT也具有很大的优势，不久的就会进入半导体感应加热装置的领域。                                       返回

6.电力半导体式感应加热装置的构成

电力半导体式感应加热装置的出现，使感应加热装置无论从外观还是内在的结构都更加简单和单一化。在电力半导体器件出现以前，除了早已淘汰的火花隙高频发生器外，感应加热装置按频段分为三种类型：(1)50Hz以下为磁性静止变频器，它是利用正弦波电压加在磁路饱和的电抗器上，会产生高次谐波的原理而进行的；(2)1~8kHz用发电机组：(3)几十kHz以上用电子管振荡器。显然，这三种感应加热装置无论在外观还是电路结构上，都毫无相似之处。电力半导体感应加热装置则不然，无论其频率高低，功率大小，都有相似的外观和几乎*相同的结构，电路也更加简单。不同频率半导体感应加热装置的主要区别，只是在所用开关器件不同，以及由此带来的开关器件驱动电路、缓冲电路和保护方面的差别。

电力半导体式感应加热装置的电路结构与其工作频率、功率无关，都是由整流器、滤波器、逆变器及其控制和保护电路组成。工作时，三相工频电流经整流，滤波器滤波后，成为平滑直流送到逆变器。逆变器是采用电力半导体器件作为电子开关的，它将直流电变成较高频率的电流供给负载。

逆变器是感应加热装置中不可减少的组成部分，它的工作和输出功率决定了装置的频率和功率，而这两个重要参数则取决于由被加物的材质、形状、加热温度和温度分布等决定的条件和单位时间内的物料处理量。

在感应炉中，变频电流是通过感应线圈把能量输送给负载的，而感应线圈往往就是逆变器中的一个部件。感应线圈和炉料一起，显示的功率因数很低，为了提高功率因数，需要调谐电容器向感应加热线圈提供无功能量。在实际生产中，由于电容器与感应线圈的连接方式不同，构成了性能差异的各种逆变器，甚至决定了感应加热装置本身的特点和适用范围。

感应炉的自然功率因数与炉体结构、炉料性质因素有关，根据对各种炉子状况的统计，其量如表所列。为便于比较，表中还列了有心熔炼炉的自然功率因数值。

7.储能元件C和L

无论是电子管式感应加热装置，还是电力半导体式感应加热装置，都离不开储能元件，可以说，没有储能元件就没有感应加热装置。在感应加热装置中使用的储能元件有电容C和电感L两种。

电容C和电感L在电路中都能起调谐、滤波、耦合、去耦。以及能量储存和传输的作用。所不同的是，电容储存电场能，能隔离直流电流，只让交流通过;而电感储存磁场能，能让直流电流须利通过，阻挡交流电流流通。

A电容C

a电容器

电容器是一种能储存电能的元件。两块彼此平行而不接触的金属板就构成了一个简单的电容器。

充了电的电容器具有电能，假如你用手去碰充了电的电容器的接头，你就会受到电“打”。电容器的容量愈大，电压愈高，“打”得就愈厉害。电容器的电压在100~200V时，除了使人感到震悸和不舒适外，不会引起意外的后果；可是在高电压时(100V或更高)，就有致命的危险。

电容器这种“打”人的本领是从何处来呢？

如果把两平行金属板的两端，用导线分别接到电池的正极、负极，那么接正极的金属板上带负电荷的电子就被电池正极吸引过去，而接负极的金属板，将从电池负极获得大量电子。也就是说，电池将接正极的金属板上的负电荷转移的接负极的金属板上，这就是所谓电容器“充电”。

大家知道，同性电荷相斥，异性电荷相吸。因此，无论是夺取接正极的金属板上的电子，还是将电子转移到接负极的金属板上去，电池都必须做功，这种功变成了电子的位能而储存在两金属板上。充电的时候，电子在导线中流动而形成电流，但充电不是永无休止的，当两金属板上充的电荷形成的电压与电池电压相等时，充电就停止，电路里就电流，这相当于电路断开一样，这就是电容器能隔断直流电的道理。

电容器上储存电荷的多少，与加到电容器两端的电池电压有关。电压越高，电容器所充的电荷就越多。电容器上所充电荷与充电电压之比，表示电容器的容量，用字母C表示，其关系式如下：

      C=U/q

式中  q-----电容器的储电量，C;

      U------充电电压;V;

      C------电容器容量，F；

可以证明，电池所作的功，也就是储存在电容器中的电子的位能，电能为：

              Wc=q2/2C

如果将电容器从电池上拆开，用导线将电容器两金属板接起来，在刚接通的瞬间，电路便有电流流通，这个电流与原充电时的电流方向相反。随着电流的流通，两金属板上积累的电荷逐渐减少，电压逐渐降低，这就是所谓“放电”。显然，放电是使储存在金属板上的电子的位能变成动能，随之变成热能而消耗在导线电阻中。

如果不是用导线，而是用手将充了电的电容器两极板接起来，电容就会通过人的手放电，使人感到电麻，所以，电容器“打”人是因为它通过人体放电给人于电打，而这种本领也是能量，是给它充电的电源得到的。

b交流回路中的电容器

如果电容器的两极接上交流电，则由于交流电的大小和方向在不断地变化，电容器的两端也必然交替地进行充电和放电，因此，电路中的电流就不停地来回流动，这就是电容器能通过交流电的道理。

那么，从电容器上流过的交流电流到底是多大呢？显然，电流大小取决于电容器充放电电流的强度。如果电容器上的电荷是均匀变化而放电电流保持不变，则电容器所能给的放电电流的强度，等于用放电时间T/2来除电容器上储存的电荷q,

式中   T------交流电变化一周的时间，称为周期；

       f------交流电在单位时间内变化的次数，f=T/1，称为频率。

事实上，人们所知道的交流电源电压U都是按谐波规律从零变化到Um的正弦波，因而电容器的电荷q以及电路中的电流也按谐波规律从零变化到qm以及Im，也就是说电流不是常数。考虑到电流不是常数，按的计算补进因数π=3.14，其的公式为：

          Im=2πfCUm

由公式可知，电容量和外电源的频率f愈大，电流就愈大。根据电路原理，电压与电流振幅的比Um/Im称为阻抗，在此Um/Im=1/2πfC=Xc。人们用Xc来表示常数1/2πfC,并称为电容器的容抗。

大家知道，一般导线对于电源的阻抗称为“电阻”，用R表示。在交流电技术中，称为有效电阻，以便与容抗和下面将叙述的感抗相区别。有效电阻对于电流的阻抗作用是和电能转变成热能而损耗的事实相联系的，电流流过导线时，它的一部分电能转变成热，而消耗在导线中，其值为I2Rt(I为电流，t为时间)。

电源电压为一定时，容抗和有效电阻一样能限制电路中的电流。但是容抗不会将电源的能量变成热量而耗掉，它只是不让在该频率下电容器所不能容纳的能量流过电路。

在一个四分之一周期(0~π/2)内(越前电压1/4周期)，电源对电容器充电，电能由电源转移到电容器上；下一个四分之一周期(π/2~π)电容器放电，它把能量还给电源。如果不考虑线路的有效电阻和电容的介质损耗，当电流流过电容器时，并不耗费任何能量。无论电源功率多大，在中所能流通的能量只能是电容器充电时所能“容纳”以及在放电时“交回”电源的能量，所以，电容能限制电路中的电流。

c电容器的主要参数

电容器的主要参数是容量、电压和功率。

(1)容量。如前所述，电容器具有储存电荷的特性，它储存电荷的多少，与加到电容器两端的电源电压成正比，其比例常数就是电容器的容量，用字母C表示。

电容器的容量表明电容器储存电荷的能力。由式1-1-10可知，对于某一电容器来说，如果加在它两端的电压为一伏时，它能储存一库仑的电荷，则称它的电容量为一法拉。法拉一般用字母“F”表示。在实用中有时嫌它太大，就用微法和皮法来表示。

实际上，决定电容器的容量的因素是制造电容器的介质的介电系数和电容器极板的几何形状、几何尺寸。因此，有时电容器的单位也用长度单位来表示。厘米和法拉之间的换算关系是：一厘米电容相当于1/9×10的11次方法拉。

(2)电压。电容器是在极板之间填以介质制成的，因此，电容器的级板间的电压有一级限值，超过此值，介质将被击穿而成短路，电容器就失去了储存电荷的特性而算报废。

为了保证人们能够正确地使用电容器，所以制造厂规定了电容器的工作电压或实验电压。工作电压是电容器能长期(一般不短于10000h)可靠的安全的工作的高电压，用“W.V”表示，试验电压是电压电容器能短期(一般不超过1min)承受不被击穿的高电压，用“T.V”表示。工作电压一般为试验电压的百分之五十到百分之七十。

应该指出，电容器的耐压通常都是标示直流电压，如果用在交流电路中，则应保证交流电压的峰值不应超过该标示值。当然，有的电容器(例如电解电容)根本就不允许用在交流回路中，那就不是耐压多少的问题了。

(3)功率。电容器既然是用介质制造的，当电容器两端接上交流电时，必定要有功率损耗，一般被介质所吸收的有功功率为：

  式中   Pe------有功功率，W；

           U-------加在是电容器上的电压，V；

           w------加于电容器的电压角频率，w=2πf,rad/s;

            C-----电容的容量，F；

            tg﹠------电容中介质损耗角的正切；

             pc------电容器的无功功率，Var.

电容器中的介质损耗将使电容器发热，显然损耗太大也会使电容器过热而损坏。为了保证电容器的正常使用，必须规定其允许的损耗值。另外，由于tg﹠值只决定于电容器的介质材枓(严格说来还与温度、湿度有关)，对于某一电容器来说就是个定值。在实际工作中，人们感兴趣的是其无功功率Pc，因此一般制造厂都规定电容器的无功功率Pc，而不是直接给出有功功率。

后有必要指出，在一般的小功率电路中，选用电容器时只要满足容量、电压的要求就行；而在大功率电路中，选择电容除满足容量、电压的要求外，还必须使其无功功率亦满足要求。此外，在某些特殊情况下，还对电容器的“漏电电阻”(因其介质不是的绝缘体)加以限制。例如，在自动控制系统中，常用“PID”调节器，其中作为微积分应用的电容就不应该选用漏电流小，漏电电阻大的电容，还有一些时延极长的延时电路中的延时电容也要求漏电电阻越大越好。对于这些情况使用者应注意选择。

d电容器的种类

电容器的种类很多。按结构可以分为固定的电容器、半右变电容器和可变电容器。按采用的介质材料不同，可以为空气、纸介、电解、云母、瓷介、铁电和真空等电容器，近又出现一种混合电容器。为了使用方便，各种电容器又具有不同形状和大小。

在选用电容器时，除了注意电容器的容量、工作电压、形状均需满足要求外，在高频线路中应该特别注意电容是用什么介质材料制造的，电容的杂散电感大小，否则，将收不到很好的效果，甚至适得其反。

在频率超过10的9次方Hz以后，陶瓷电容器也会失效，只能用真空或空气电容器，所以在工业高频装置的高频回路(一般都在100KHz以上)内，应尽量采用云母、陶瓷、铁电、真空等介质的电容器。     

B 电感L

a电感线圈

线圈在电路中也是储能元件，当电荷沿导线运动时，便产生电流。电流周围总是伴有磁场，磁场具有一定的能量。当电流I沿线圈流过时，线圈的磁场能量，即磁能等于：

              WL=1/2个LI的平方

式中的L对于每一个给定的线圈说来是常数，称为线圈的自感系数或电感。

根据电磁感应定律，任何在导体周围的磁场的变化都会在导体中引起电动势。当流过线圈的电流减少(或增加时)它所产生的磁场也减少(或增加)，由于这一磁场的变化，都会在线圈中引起感应电动势。因为电动势变发生在产生磁场的线圈中，因此，人们便把它叫做自感电动势。自感电动势的作用是反对引起这个电势的电流发生变化的。假如线圈中的电流减少，自感电动势的方向相同，力图维持电流不减少；但不管怎么样，电流的变化总是会随着外电源的变化而变化的，自感电动势不能*阻挡这种变化，只能使这种变化延迟发生，所以说，通过电感线圈的电流不能突变。

b交流回路中的线圈

现在假定由频率为f的交流电和具有电感L的线圈组成电路，电源的电动势按照谐波规律变化。由于线圈具有电感L，当电路中的电流发生变化时，会产生电动势，这电动势力图阻止电流的变化，因此，电路中的电流只能达到某一定的值(忽略绕制线圈的导线有效电阻)。其中2πfL表示线圈电感对于频率为f的电流的阻挡力，人们称之为线圈的感抗，用XL表示。显然XL愈大，通过线圈的电流就愈小，而XL与电源的频率和线圈电感成正比。所以，在线圈相同时，电源的频率愈高，流过线圈的电流就愈小。也就是说，高频电流难于通过线圈，而低频电流容易通过。在电流流通(落后于电源电压1、4周期)的开始四分之一周期0~π/2内，线圈中的电流由零逐渐增加，线圈由电源取得能量，并使之变成磁能；在下一个四分之一周期π/2~π，电流开始逐渐减少，磁场被破坏，产生自感电动势，这一电动势将线圈的磁场能量变成电能还给电源。所以，如果忽略线圈的有效电阻的话，电感和电容一样，能限制电路中的电流，担不损耗能量。

C线圈的主要参数

线圈中流过变化的电流时，线圈上便产生感应电动势。感应电动势的大小与线圈流过的电流变化率成正比例，其比例常数就是电感量，简称电感，用L表示。它表明，通过一定的电流时，线圈产生感应电势的能力，其单位是亨利，常用字母H表示。此单位的意义是：当线圈中通过每秒变化1A的电流时，能产生1V感应电势，此线圈中的电感就是1H。在实际应用中还使用更小的单位mH和Μh.