感应加热电源理论解析及试验进程报告

　　目前，我国感应加热电源的功率调节多是通过直流侧调节实现，一种是利用晶闸管相控整流电路实现，此种电源在深度控制下功率因数很低，并且电网电流谐波较大使得整机效率不高；另一种是利用直流斩波电路实现，此类电源由于Buck电路中的功率器件工作在硬开关状态下，开关损耗大，效率不够高。现有的移相PWM调功方式也存在功率调节范围窄的缺点。为了弥补上述的缺点，本文设计了一种新型的串联谐振主电路拓扑结构，采用逆变侧功率调节方式。整流部分采用不控整流，逆变侧为桥式结构，分为超前臂与滞后臂，超前臂并联缓冲电容，滞后臂不并联电容，超前臂为活动臂进行PWM调节，滞后臂为固定臂不进行PWM调节，输出功率的变化通过调节超前臂的脉宽来实现。

　　一、 感应加热发展的历史及其应用场合

　　1.感应加热发展历史

　　感应加热多数用于工业金属零件表面淬火、金属熔炼、棒料透热等多个领域，是使工件表面产生一定的感应电流，迅速加热零件表面，达到表面迅速加热，甚至透热融化的效果。

　　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。

　　感应加热：工件放到感应器内，感应器一般是输入中频或高频交流电 （300-300000Hz或更高）的空心铜管。产生交变磁场在工件中产生出同频率的感应电流，这种感应电流在工件的分布是不均匀的，在表面强，而在内部很弱，到心部接近于0，利用这个集肤效应，可使工件表面迅速加热，在几秒钟内表面温度上升到800-1000ºC，而心部温度升高很小。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

　　（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。

　　1957年，美国研制出作为电力电子器件里程碑的晶闸管，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。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，比如着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，？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。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。

　　新一代感应加热电源正朝着大功率，高频化方向发展。这对现代电力电子器件来说是一个相当大的挑战。传统的方法是采用器件串并联的方式，但这存在器件之间均流均压闲难的问题，特别是当器件串并联很多时，则需要保证的同步信号，以避免器件之间的环流损坏电力电子器件。但在很多情况下这很难保证。LC拓扑被提出，它的优良特性可有效地减少逆变桥并联之间的环流，通过参数设计可以均衡各桥的功率分配，降低器件的损耗，从而有效地解决了逆变桥并联中出现的一些问题，有利于感应加热电源多桥并联，提高输出功率和可靠性。