串聯諧振感應加熱系統

感應加熱的頻率

  用于感應加熱電源的頻率可以從 50Hz 到幾 MHz。選擇頻率首先要考慮的是加熱效率和溫度分布。其次是熔煉、透熱和淬火等不同加熱工藝對電源頻率的特殊要求。如透熱、熔煉等加熱工藝要求加熱時溫度均勻，而淬火則不要求溫度均勻只需要滿足淬硬層厚度。對于熔煉還需要考慮攪拌力的作用和功率密度。再者，頻率高功率大的電源設備一般都比頻率低比功率小的價格高。因此，選擇電源頻率終需要考慮其綜合經濟技術指標。

  電磁感應的三個效應

  電磁感應在導體上產生的交流電流的分布是不均勻的，主要受到三個效應即集膚效應、臨近效應和圓環效應的影響。

  (1) 集膚效應、透入深度△及有效加熱層ξ

  導線通過直流時，能保證導線中的電流密度是均勻的。但只要電流變化率很小，電流分布仍可認為是均勻的。對于工作于低頻的細導線，這一論述仍然是可確信的。但在高頻電路中，電流變化率非常大，不均勻分布的狀態較為嚴重。大電流密度出現在導體的表面層。這種電流集聚于導線表面的現象叫做集膚效應。集膚效應可解釋如下：如圖 2.3(a)所示，當電流通過導體時，在導體的外部和內部都建立了磁場，磁力線的形狀是以導體的中心為圓心的同心圓，如果流過的電流是交變的，那么磁場也是交變的，顯然與導體表面部分相交鏈的磁力線，比與導體內部（接近中心部分）所交鏈的磁力線要少，于是導體中心部分的自感電勢，或者說中心部分的電感和阻抗，大于表面部分的電感和阻抗。電流總是沿阻抗小的路徑流動，所以電流會集聚在導體的表面層。

  電流頻率越高，自感電動勢的作用越強，集膚效應也越顯著。以上分析的是導體中通入交變電流時電流在導體中產生的集膚現象。另一種情形是導體放在交變電磁場中，也就是感應

加熱工件的情形，工件中的渦流也是交變電流，它沿截面的分布也是集聚在工件表面一層。在工業應用方面，對金屬進行表面淬火就是利用集膚效應。

(2) 鄰近效應

  相鄰兩個導體分別通入交流電流時，兩個導體會產生磁場，導體除了受自身產生的磁場影響外，還受另一個導體產生的磁場的影響，在這種相互影響下導體內的電流會重新分布。當兩導體內電流的方向相反時導體內側電流密度比較大；當兩導體內電流的方向相同時，導體外側電流密度比較大（如圖 2.5 所示）。這種現象稱為鄰近效應。

  鄰近效應原理可解釋如下：如果兩個平行的導體中流過電流的方向相反時(圖 2.5(a))，兩導體中電流所建立的磁場在兩導體之間的方向相同的，因此兩導體中間的總的磁場強度增大，而在兩導體外側的磁場強度減弱。兩導體之間的磁感線不僅通過空氣，而且也穿過導體內部。顯然導體的外側較內側要交鏈更多的磁通，因此導體外側的阻抗值比內側大。因此導體外側較內側電流密度要小。導體間的距離越近，鄰近效應越顯著。

(3) 圓環效應

  如果在圓環形螺管線圈通過交流電流時，線圈導體的內側電流密度會比較大（如圖 2.6），這種現象叫做圓環效應。導體的徑向厚度與圓環直徑之比越大，這種效應就越顯著。通常磁力線在圓環內集中，在園環外分散，因此導體的外側較內側交鏈較多的磁通，這樣導體外側的電感和阻抗較內側為大，電流向內側集聚。感應電爐即是對這幾種效應的綜合利用。在感應器中置以爐料（見圖2.7(a)）,在感應器兩端施加交流電壓，即產生交變磁場。此時感應器本身表現為圓環效應，感應器與爐料間即為鄰近效應，而爐料本身表現為集膚效應。感應器和爐料中的電流密度（δ）分布如圖 2.7(b)所示。

中頻電源主電路結構

  電力半導體感應加熱電源的出現，使感應加熱電源無論從外觀還是內在電路結構都更加簡單。電力半導體感應加熱電源電路結構與它的工作頻率和功率大小無關，一般是由整流電路、濾波電路、逆變電路及其控制電路和保護電路等組成(見圖2.8)。工作時，三相工頻交流電經整流電路整流，再經過濾波電路濾波后，變為較平滑的直流傳送給逆變器。逆變器部分采用電力半導體作為開關器件，再將直流電轉換成負載所需頻率的交流電供給負載。

  按采用的濾波器不同，中頻電源可分為電流型和電壓型。電流型采用直流平波電抗器濾波，可獲得較平直的直流電流，負載電流為矩形波，負載電壓近似正弦波；電壓型采用電容器濾波，可獲得較平直的直流電壓，負載兩端電壓為矩形波，負載電流近似正弦波。按負載諧振方式分，中頻電源可分為并聯諧振式，串聯諧振式和串并聯諧振式三種。本章主要是對中頻電源主電路的整流部分和逆變部分分別進行分析和研究，進而提出本課題解決方案。