高频感应加热电源理论解析

 感应加热发展的历史及其应用场合

　　1.感应加热发展历史

　　感应加热来源于法拉第发现的电磁感应现象，也就是交变的电流会在导体中产生感应电流，从而导致导体发热。长期以来，技术人员都对这一现象有较好了解，并且在各种场合尽量抑止这种发热现象，来减小损耗。比较常见的如开关电源中的变压器设计，通常设计人员会用各种方法来减小涡流损耗，来提高效率。然而在19世纪末期，技术人员又发现这一现象的有利面，就是可以将之利用到加热场合。来取代一些传统的加热方法，因为感应加热有以下优点：　

  　(1) 非接触式加热，热源和受热物件可以不直接接触

　　(2) 加热效率高，速度快，可以减小表面氧化现象

　　(3) 容易控制温度，提高加工精度

　　(4) 可实现局部加热

　　(5) 可实现自动化控制

　　(6) 可减小占地，热辐射，噪声和灰尘

　　由于感应加热具有以上的一些优点，大量的工程技术人员对此进行了研究，1890年瑞典技术人员发明了第一台感应熔炼炉――开槽式有芯炉，1916年美国人发明了闭槽有芯炉，从此感应加热技术逐渐进入实用化阶段。而后，20世纪电力电子器件和技术的飞速发展，极大的促进了感应加热技术的发展。

　　1957年，美国研制出作为电力电子器件里程碑的晶闸管，标志着现代电力电子技术的开始。同时，也引发了感应加热技术的革命。1966年，瑞士和西德首先利用晶闸管研制感应加热装置，从此感应加热技术开始飞速发展。

　　80年代后，电力电子器件再次飞速发展，GTO，MOSFET，IGBT，MCT，SIT等器件相继出现。感应加热装置也逐渐摒弃晶闸管，开始采用这些新器件。现在比较常用的是IGBT和MOSFET，IGBT用于较大功率场合，而MOSFET用于较高频率场合。据报道，国外可以采用IGBT将感应加热装置做到功率超过1000KW，频率超过50K。而MOSFET较合适高频场合，通常在几千瓦的中小功率场合，频率可达到500K以上，甚至几M。然而国外也有推出采用MOSFET的大功率的感应加热装置，比如美国研制的2000KW/400KHz的装置。

　　国内的电力电子技术起步比较完，所以感应加热技术也落后于国外很多。但是由于市场前景广阔，所以研制的感应加热的技术人员逐渐增加。国内在此领域处于领先地位的为浙江大学，但是离国外先进技术还有相当距离。

　　2. 感应加热应用场合

　　感应加热可以用于多种场合，主要有：

　　(1) 冶金：有色金属的冶炼，金属材料的热处理,锻造、挤压、轧制等型材生产的偷热;焊管生产的焊缝。

　　(2) 机械制造：各种机械零件的淬火，以及淬火后的回火、退火和正火等热处理的加热。压力加工前的透热。

　　(3) 轻工：罐头以及其它包装的封口，比如著名的利乐砖的封口包装。

　　(4) 电子：电子管真空除气的加热

　　二 感应加热基本原理

　　1.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。

　　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：

　　安培定律：

　　其中： ，

　　如果采用MKS制，e的单位为V，Ø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：

　　

　　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。

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