感应加热电源原理及其负载变压器结构制作.docx

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感应加热的原理
电磁感应和感应加热
感应加热是电热应用的一种较好形式，它是利用电磁感应的原理将电能转变为热能。当交变电流 Ii 流入感应圈时，感应圈内便产生交变磁通 φ，使置于感应圈中的工件
〔图 1 中为钢管〕受到电磁感应而产生感应电势e。 假设磁通 φ 是呈正弦变化的，即 φ=φMsinωt,则
e 的有效值 E=(伏)
感应电势 E 在工件中产生电流i2，i2 使工件内部〔精准地说，是工件近外表的电流透入深度△层〕开头加热，其焦耳热为：
式中：
I2 感应电流的有效值〔安〕；
R 工作电阻〔欧〕；
t 时间〔秒〕。
为了使金属能加热到肯定温度，在金属内必需有足够大的电流I2，为此在金属内必需感应出足够大的电势E。由于感应电势 E 与磁通 φM、频率 f 成正比，为了获得必需的感应电势，可以提高电源频率。同样的发热效果，频率越高，所需的磁通 φM 及感应圈中的电流 I1 就可以减小，所以近代的感应加热广泛承受中频和高频电源。另外，金属截面越大，那么在同样磁通密度的状况下，通过金属的φ 也就越大，于是感应电势 E 以及金属内感应得到的功率也越大。
电磁感应的三个效应
集肤效应：直流电流流经导体时，电流在导体截面上是均匀分布的，但沟通电流流经导体时，电流沿导体截面的分布是不均匀的，最大电流密度消灭在导体的表 面层。这种电流集聚于外表的现像叫做集肤效应。
电流频率越高，集肤效应也越显著。以上是导体本身通过交变电流时，电流在导体
中产生的集肤现象。另一种状况是导体在交变的电磁场中，也就是置于感应圈中的工件。由于感应圈的中间产生交变的电磁场，使工件中产生的涡流也是交变电流， 它沿截面的分布也是集聚在外表一层。
由电磁场理论知道，电流密度是由外表对中心近似地按一指数函数快速下降。其电流透入深度
其中：
ρ 导体或工件的电阻率〔欧·厘米〕
μr 相对磁导率
f 频率〔Hz〕
在△层中所产生的热量为导体中总功率的 。
在交变磁场中的导体，由电磁感应产生的涡流密度的分布随着频率的降低也有向导体内部扩张的趋势。但无论在怎样低的频率下，也得不到均匀分布的电流，其中心线上的电流密度始终为零。电流透入深度的概念，只有在频率足够高时才有其物理意义。
邻近效应：相邻两导体通以沟通电流时，在相互影响下导体中的电流要重 分布，当两电流方向相反时，电流聚于导体内侧；方向一样时，电流被排于导体外侧
〔如图 2 所示〕。
邻近效应可简洁解释如下：
假设在任何瞬间两平行导体中的电流方向相反时〔图 2a〕，在导体之间由两电流所建立的磁场方向一样，总磁场增大，而两导体外侧的磁场却减弱。两导体之间的磁通不仅通过空气，而且也通过导体内部。明显导体外侧比内侧交链较多的磁通，因而导体外侧的电感和阻抗较内侧为大。因此导体外侧电流密度较内侧为小。
当两平行导体中的电流方向一样时，用同样的方法可得出导体外侧电流密度较内侧为大。
圆环效应：假设将沟通电流通过圆环形螺管线圈时，则最大电流密度消灭在线圈导体的内侧〔图 3〕，这种现象叫做圆环效应。导体的径向厚度直径之比越大，这咱效应就越显著。通常磁力线在环内集中，在环外分散，一局部磁力线穿过导体本身， 因此导体的外侧比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 4a〕，在感应器两端施加沟通电压，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 4b 所示。
加热过程中金属物理性质的变化
在加热过程中，金属材料的电阻率 ρ 和磁导率 μ 都是变化的。它们对金属中电流密度分布的影响很大。电流透入深度△将随着ρ、μ 的变化而转变。
当磁场强度肯定时，钢的磁导率随着温度的上升而下降。开头时下降得很缓慢，一 般可无视不计。当温度达居里温度时，便急剧下降到相对磁导率为 1〔如图 5 所示〕，所以高温时，电流透入深度会增加很多。在居里点以前，铁磁特质的B-H 曲线是非线性的，相对磁导率μr 与磁场强度有关。感应加热由于承受格外强的磁场，磁路相当饱和，因此磁导率的起始值一般较低，约为 16，有时甚至更低。
电阻率 ρ 代表材料的导电性能。在不同温度下，几种金属的电阻率 ρ，可见表 2 所列。
图 5 中示出常温时 45 号钢的电阻率为 2×10-5 欧·厘米；当温度升到 800~900℃，电
阻率约增加到 10-4 欧·厘米；温度再连续上升，电阻率也根本上维持等于这一数值， 不再转变。
高频变压器
在此介绍一台 240kW 高频感应加热电源的方框图及其高频变压器的有关设计。
本电源承受的是串联补偿 IGBT 全控逆变电源，在其变压器的输出端，只要配用不同的感应圈，就可以用于加热钢管、焊接、熔炼、热处理等。电源工作时，负载即工件放在感应圈内，通过高频变压器实现负载与电源的匹配。
高频变压器的特点
加热电源的工作频率很高，由于导体、导线的集肤效应、邻近效应、圆环效应 ，使导体截面上的电流密度分布不均匀，导体有效截面积减小。
铁芯的高频磁滞损耗、涡流损耗较大，其发热量较大，需要用强迫冷却方式。
对不同的负载及工艺要求，在设计变压器时应考虑其工作暂载率。
240kW 变压器的技术指标
额定输出功率：240kW
频率调整范围：20kHz~100kHz 长期工作频率：600kHz
初级输入电压：4000V
次级输出电压和电流：200V、1200A
变压器的有关数据
铁心：铁氧体EE130，共用 2 付
初级线径和圈数：双玻璃丝包扁线SBEB1×3×5 股叠绕 共 20 圈次级线径和圈数：1mm 厚紫铜板 65mm 宽 共 1 圈
〔3〕60kHz 时的 B 值
(4)初级电流密度
次级电流密度
感应圈电流密度
感应圈
感应圈和被加热钢管是高频变压器的负载，但同时又组成另一只变压器，其中感应圈为初级，钢管本身既是该变压器的铁芯，又是该变压器的次级，次级是单匝的， 而且是短路的。当超过居里点温度时，铁磁材料失去磁性，成为一个空心变压器。感应圈一般是由紫铜管制成单匝或多匝的线圈，其尺寸和匝数还直接影响电源负载阻抗的大小。因此必需依据负载阻抗和高频电源的匹配以及电源起动的力量，修正感应圈的几何尺寸和匝数。
钢管和感圈之间必需留有肯定的间隙。为了提高传递效率，尽可能缩小间隙。一般取单侧间隙为 3~15 毫米。管径越大，间隙可取大些。
感应圈的宽度与被加热钢管的壁厚、弯制时所要求的内外壁温差、电源频率及加热时间有关。当感应圈宽度增加时，钢管被加热的红区加宽，内外壁温差减小。但红区加宽使弯头椭圆度增加；当感应圈宽度减小时，加热红区虽然变窄，但内外壁温差加大。因此，感应圈宽应依据钢管的壁厚、弯制速度和允许内外壁温差，结合加热频率等因素综合选择。
一般取：b=~ 式中：b 感应圈宽度δ 钢管壁厚
耐压绝缘
本变压器初级为 4000V，耐压绝缘较为简洁，用环氧灌封起来就可以了，具体如下： 底筒尺寸：1mm 环氧板搭成，内档窗口×高为 43×100×76 的底筒。
灌注后尺寸：窗口内档尺寸 40×98 绕线宽度 82
窗口外档尺寸 70×138 绕线宽度 82
初级线包居中，各边灌有 3mm 左右环氧绝缘层。
循环水冷却系统的设计
感应圈是钢管的加热环，在感应圈中通过的中高频电流极大，电流密度高达
， 同时了为缩小变压器的体积， 次级绕组的电流密度也到达
。为此循环水冷却系统成为本变压器的重点解决的问题。从铁芯开头到次级绕组，再到负载感应圈，由 φ8 由 φ8 紫铜管组成一个冷却的循环系统，把磁路和电路在工作中产生的热量有效地传递出去。在每段紫铜管之间，塑料软管通过φ8 双向铜接头牢靠焊接或严密连接在一起，形成一个循环。
磁心冷却：
在每个 E 形磁心上面骑夹垂直各一块散热片，再在散热片上焊接弯形冷却管，见图7 所示。散热片和冷却管分别由导热性能好的 1mm 紫铜板和 φ8 紫铜管制成。铜管的两头仍为 φ8 管，其余局部敲成 7mm 扁孔状，便于用焊锡牢靠焊接在散热铜板上。磁心产生的热量，通过涂有导热性是一般绝缘硅三倍的导热绝缘硅脂 HZ-SK101 层传递到散热片，再转到冷却管路，由冷却管路中的水流将热量带走。
应当留意的是，避开上述导电材料在铁心四周形成闭合回路。
次级绕组冷却：
用 1mm 紫铜板在已灌注环氧的初级绕组的外面围成 1 圈的次级绕组。在窗口位置的两侧的紫铜板上各焊接一根由 φ8 紫铜管变成的U 型冷却管，铜管的两头仍为 φ8 管， 其余局部敲成 7mm 扁孔状，便于牢靠焊接在次级侧面的铜板上，见图 8 所示。
次级引出端的处理与冷却
在次极两引出端各“包”并“焊”一根 φ8 紫铜管，管的下端分别与空心黄铜输出接头用铜电焊绕牢〔因该点四周的电流密度高度集中，假设用锡焊接不行靠〕相接通，见图 8 所示。
空心黄铜输出接头工作时，将与负载感应圈相连接。
从上各冷却紫铜管的引出端上分别与一只 φ8 的双向铜管接头焊接，铜管接头的另一端通过 φ8 塑料软管与其他紫铜管上的另一只双向铜管接头相连接，组成一个通水循环系统。
该冷却循环系统的链接：由下面一个E 磁心开头→上面一个 E 磁心→旁边上面一个E 磁心→下面一个E 磁心→次级一侧的U 管→另一侧的U 管→次级输出接头→感应圈负载→次级另一输出接头→反回水槽。见图 9 所示，水泵压力约 2kg/cm2。
在磁心叠厚方向，线包内档为 98mm，而 2 付E 磁心厚度只有 40mm×2。多出的 18mm作为二付 E 磁心和线包三者之间留下的三排，各约 5×35mm2 左右的上下散热气隙孔，磁心即整个变压器由上下二块 5mm 环氧板垫加橡胶绝缘垫夹紧固定，为了协作上述的散热气隙孔，在环氧板上对应的中间打有一排 φ10 的散热孔。