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自制简易高频感应加热

? 2018年01月03日 08:49 ? 次阅读

  感应加热简介

心博天下娱乐平台 www.syycw.cn   电磁感应加热,或简称感应加热,是加热导体材料比如金属材料的一种方法。它主要用于金属热加工、热处理、焊接和熔化。

  顾名思义,感应加热是利用电磁感应的方法使被加热的材料的内部产生电流,依靠这些涡流的能量达到加热目的。感应加热系统的基本组成包括感应线圈,交流电源和工件。根据加热对象不同,可以把线圈制作成不同的形状。线圈和电源相连,电源为线圈提供交变电流,流过线圈的交变电流产生一个通过工件的交变磁场,该磁场使工件产生涡流来加热。

  感应加热原理

  感应加热表面淬火是利用电磁感应原理,在工件表面层产生密度很高的感应电流,迅速加热至奥氏体状态,随后快速冷却得到马氏体组织的淬火方法,当感应圈中通过一定频率的交流电时,在其内外将产生与电流变化频率相同的交变磁场。金属工件放入感应圈内,在磁场作用下,工件内就会产生与感应圈频率相同而方向相反的感应电流。由于感应电流沿工件表面形成封闭回路,通常称为涡流。此涡流将电能变成热能,将工件的表面迅速加热。涡流主要分布于工件表面,工件内部几乎没有电流通过,这种现象称为表面效应或集肤效应。感应加热就是利用集肤效应,依靠电流热效应把工件表面迅速加热到淬火温度的。感应圈用紫铜管制做,内通冷却水。当工件表面在感应圈内加热到一定温度时,立即喷水冷却,使表面层获得马氏体组织。

  感应电动势的瞬时值为:

  式中:e——瞬时电势,V;Φ——零件上感应电流回路所包围面积的总磁通,Wb,其数值随感应器中的电流强度和零件材料的磁导率的增加而增大,并与零件和感应器之问的间隙有关。

  为磁通变化率,其绝对值等于感应电势。电流频率越高,磁通变化率越大,使感应电势P相应也就越大。式中的负号表示感应电势的方向与的变化方向相反。

  零件中感应出来的涡流的方向,在每一瞬时和感应器中的电流方向相反,涡流强度取决于感应电势及零件内涡流回路的电抗,可表示为:

  式中,I——涡流电流强度,A;Z——自感电抗,Ω;R——零件电阻,Ω;X——阻抗,Ω。

  由于Z值很小,所以I值很大。

  零件加热的热量为:

  式中Q——热能,J;t——加热时间,s。

  对铁磁材料(如钢铁),涡流加热产生的热效应可使零件温度迅速提高。钢铁零件是硬磁材料,它具有很大的剩磁,在交变磁场中,零件的磁极方向随感应器磁场方向的改变而改变。在交变磁场的作用下,磁分子因磁场方向的迅速改变将发生激烈的摩擦发热,因而也对零件加热起一定作用,这就是磁滞热效应。这部分热量比涡流加热的热效应小得多。钢铁零件磁滞热效应只有在磁性转变点A2(768℃)以下存在,在A2以上,钢铁零件失去磁性,因此,对钢铁零件而言,在A2点以下,加热速度比在A2点以上时快。

  感应加热具体应用

  感应加热设备

  感应加热设备是产生特定频率感应电流,进行感应加热及表面淬火处理的设备。

  感应加热表面淬火

  将工件放在用空心铜管绕成的感应器内,通入中频或高频交流电后,在工件表面形成同频率的的感应电流,将零件表面迅速加热(几秒钟内即可升温800~1000度,心部仍接近室温)后立即喷水冷却(或浸油淬火),使工件表面层淬硬。

  与普通加热淬火比较感应加热表面淬火具有以下优点:

  1、加热速度极快,可扩大A体转变温度范围,缩短转变时间。

  2、淬火后工件表层可得到极细的隐晶马氏体,硬度稍高(2~3HRC)。脆性较低及较高疲劳强度。

  3、经该工艺处理的工件不易氧化脱碳,甚至有些工件处理后可直接装配使用。

  4、淬硬层深,易于控制操作,易于实现机械化,自动化。

  感应加热(高频电炉)制作教程

  成本估算:

  紫铜管紫铜带:210元

  EE85加厚磁芯2个:60元

  高频谐振电容3个:135元

  胶木板:60元

  水泵及PU管:52元

  PLL板:30元

  GDT板:20元

  电源板:50元

  MOSFET:20元

  2KW调压器:280元

  散热板:80元

  共计:997元

  总体架构:

  串联谐振2.5KW 锁相环追频ZVS,MOSFET全桥逆变;

  磁芯变压器两档阻抗变换,水冷散热,市电自耦调压调功,母线过流保护。

  先预览一下效果,如下图:

  加热金封管3DD15

自制简易高频感应加热

  加热304不锈钢管

自制简易高频感应加热

  加热小金属球

自制简易高频感应加热

  加热铁质垫圈

自制简易高频感应加热

  在开始制作之前,有必要明确一些基础性原理及概念,这样才不致于一头雾水。

  1、加热机制(扫盲用,高手跳过)

  1.1涡流,只要是金属物体处于交变磁场中,都会产生涡流,强大的高密度涡流能迅速使工件升温。这个机制在所有电阻率不为无穷大的导体中均存在。

  1.2感应环流,工件相当于一个短路的1匝线圈,与感应线圈构成一个空心变压器,由于电流比等于匝比的反比,工件上的电流是感应线圈中电流的N(匝数)倍,强大的感应短路电流使工件迅速升温。这个机制在任何导体中均存在,恒定磁通密度情况下,工件与磁场矢量正交的面积越大,工件上感生的电流越大,效率越高。由此可看出,大磁通切割面积的工件比小面积的工件更容易获得高温。

  1.3磁畴摩擦(在铁磁体内存在着无数个线度约为10-4m的原本已经磁化了的小区域,这些小区域叫磁畴),铁磁性物质的磁畴,在交变磁场的磁化与逆磁环作用下,剧烈摩擦,产生高温。这个机制在铁磁性物质中占主导。

  由此可看出,不同材料的工件,因为加热的机制不同,造成的加热效果也不一样。其中铁磁物质三中机制都占,加热效果最好。铁磁质加热到居里点以上时,转为顺磁性,磁畴机制减退甚至消失。这时只能靠剩余两个机制继续加热。

  当工件越过居里点后,磁感应现象减弱,线圈等效阻抗大幅下降,致使谐振回路电流增大。越过居里点后,线圈电感量也跟着下降。LC回路的固有谐振频率会发生变化。致使固定激励方式的加热器失谐而造成设备损坏或效率大减。

  2、为什么要采用谐振?应采用何种谐振

  2.1先回答第一个问题。我曾经以为只要往感应线圈中通入足够强的电流,就成一台感应加热设备了。也对此做了一个实验,见下图。

自制简易高频感应加热
自制简易高频感应加热

  实验中确实有加热效果,但是远远没有达到电源的输出功率应有的效果。这是为什么呢,我们来分析一下,显然,对于固定的工件,加热效果与逆变器实际输出功率成正比。对于感应线圈,基本呈现纯感性,也就是其间的电流变化永远落后于两端电压的变化,也就是说电压达到峰值的时候,电流还未达到峰值,功率因数很低。我们知道,功率等于电压波形与电流波形的重叠面积,而在电感中,电流与电压波形是错开一个角度的,这时的重叠面积很小,即便其中通过了巨大的电流,也是做无用功。这是如果单纯的计算P=UI,得到的只是无功功率。

  而对于电容,正好相反,其间的电流永远超前于电压变化。如果将电容与电感构成串联或并联谐振,一个超前,一个滞后,谐振时正好抵消掉。因此电容在这里也叫功率补偿电容。这时从激励源来看,相当于向一个纯阻性负载供电,电流波形与电压波形完全重合,输出最大的有功功率。这就是为什么要采取串(并)补偿电容构成谐振的主要原因。

  2.2第二个问题,LC谐振有串联谐振和并联谐振,该采用什么结构呢。

  说得直白一点,并联谐振回路,谐振电压等于激励源电压,而槽路(TANK)中的电流等于激励电流的Q倍。串联谐振回路的槽路电流等于激励源电流,而L,C两端的电压等于激励源电压的Q倍,各有千秋。

  从电路结构来看:

  对于恒压源激励(半桥,全桥),应该采用串联谐振回路,因为供电电压恒定,电流越大,输出功率也就越大,对于串联谐振电路,在谐振点时整个回路阻抗最小,谐振电流也达到最大值,输出最大功率。串联谐振时,空载的回路Q值最高,L,C两端电压较高,槽路电流白白浪费在回路电阻上,发热巨大。

  对于恒流源激励(如单管电路),应采用并联谐振,自由谐振时LC端电压很高,因此能获得很大功率。并联谐振有个很重要的优点,就是空载时回路电流最小,发热功率也很小。值得一提的是,从实验效果来看,同样的谐振电容和加热线圈,同样的驱动功率,并联谐振适合加热体积较大的工件,串联谐振适合加热体积小的工件。

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