中頻感應

當通過導體環路所包圍的磁通量發生變化時，環路中就會產生感應電勢，同樣，處於交變磁場中的導體，受電磁感應的作用也產生感應電勢，在導體中形成感應電流（渦流），感應電流克服導體本身的電阻而產生焦耳熱，用這一熱量加熱導體本身，使其升溫、熔化，達到各種熱加工的目的，這就是中頻感應加熱的原理。

基本介紹

• 中文名：中頻感應
• 性質：物理性質
• 套用：中頻感應加熱
• 特點：效率高 重複性少

感應加熱技術發展歷史

自誕生到現在，已經經歷了一百多年的發展，已取得了巨大的成果，形成了比較成熟的技術。尤其是 20 世紀 60 年代以後，將固態電力電子器 件套用於感應加熱領域，使感應加熱技術的發展更加突飛猛進。世界各國由於開展感應加熱研究和套用時間存在早晚差異，研究現狀差別很大。歐美幾個工業強國和日本由於在資金和技術方面的優勢，在高頻和超高頻感應加熱電源方面處於技術領先地位，基本代表了感應加熱電源發展的最高水平。 感應加熱電源按頻率範圍可分為以下等級：400Hz 以下為低頻；500Hz~20kHz為中頻；22kHz~100kHz 為超音頻；100kHz 以上為高頻。中頻段內多採用晶閘管，目前國外晶閘管中頻感應加熱電源的最大容量已達幾十兆瓦級別，國內也形成了200Hz~8kHz、功率為 100~3000kW 的生產能力。

上世紀 80 年代初，全控型器件的出現為感應加熱電源的發展帶來了契機。1993年西班牙報導了30~600kW/50~100kHz 的的感應加熱電源，1994 年日本採用 IGBT器件研製了 1200kW/50kHz 的並聯逆變感應加熱電源。比利時 IndMctoElphiac 公司生產的電流型 MOSFET 感應加熱電源可達 1MW/15~600kHz，目前國外最大容 量 已 達 幾 十 兆 瓦 。 國 內 湖 南 大 學 曾 於 1986~1994 年 成 功 開 發 出 了100kW~1000kW 微機控制晶閘管中頻電源系列產品。1996 年天津高頻設備廠和天津大學聯合研製開發了 75kW/200kHz 的 SIT 感應加熱電源；浙江大學在 90 年代成功研製出套用於小型刀具表面熱處理和飛機渦輪葉片的熱應力考核試驗的20kW/300kHz MOSFET 高頻電源；1996 年，浙江大學 50kW/50kHz 的 IGBT 電流型並聯逆變感應加熱電源通過鑑定；2003 年，浙江大學 50kW/50kHz 的 IGBT 電流型並聯逆變感應加熱電源通過鑑定。

中頻感應加熱優點

加熱速度快

氧化脫炭少 由於中頻感應加熱的原理為電磁感應，其熱量在工件內自身產生，由於該加熱方式升溫速度快，所以氧化極少，加熱效率高，工藝重複性好。

加熱均勻

溫控精度高 感應加熱易實現加熱均勻，芯表溫差小的要求。套用溫控系統可實現對溫度的精確控制。低耗能、無污染 感應加熱與其它加熱方式相比，加熱效率高、能耗低、無污染；各項指標均可滿足用戶要求。透熱條件下，由室溫加熱到1100℃的耗電量小於360。

感應加熱的線圈與被加熱物（金屬）的關係就如同變壓器的1次側、2次側線圈的關係一樣。由加熱線圈通高頻電流產生的磁力線集中在被加熱物上、由電磁的感應作用，產生渦旋電流，將被加熱物加熱。在這個時候，根據鋼材的種類和形狀選擇適當的交流電流的頻率、功率、加熱時間、保持時間、線圈的形狀等，就能使各種鋼材得到適當的品質特性。

中頻感應加熱表面淬火及中頻感應加熱設備

感應加熱表面淬火，是使工件表面產生一定的感應電流，迅速加熱零件表面，然後迅速淬火的一種金屬熱處理方法。感應加熱設備，即對工件進行感應加熱，以進行表面淬火的設備。

感應加熱的原理：工件放到感應器內，感應器一般是同入中頻或高頻交流電 (500-300000Hz)的空心銅管。產生交變磁場在工件中產生出同頻率的感應電流，這種感應電流在工件的分布是不均勻的，在表面強，而在內部很弱，到心部接近於0，利用這個集膚效應，可使工件表面迅速加熱，在幾秒鐘內表面溫度上升到800-1000ºC，而心部溫度升高很小。

感應加熱頻率的選擇：根據熱處理及加熱深度的要求選擇頻率，頻率越高加熱的深度越淺。

高頻加熱的深度為0.5-2.5mm, 一般用於中小型零件的加熱，如小模數齒輪及中小軸類零件等。

中頻加熱深度為2-10mm，一般用於直徑大的軸類和大中模數的齒輪加熱。

工頻加熱淬硬層深度為10-20mm，一般用於較大尺寸零件的透熱，大直徑零件（直徑Ø300mm以上，如軋輥等）的表面淬火。 　感應加熱表面淬火具有表面質量好，脆性小，淬火表面不易氧化脫碳，變形小等優點，所以感應加熱設備在金屬表面熱處理中得到了廣泛套用。

感應加熱設備是產生特定頻率感應電流，進行感應加熱及表面淬火處理的設備。

IGBT中頻感應加熱的工作原理及設備

（1）IGBT中頻電源是一種採用串聯諧振式的中頻感應熔煉爐，它的逆變器件為一種新型IGBT中頻感應爐模組（絕緣柵雙極型電晶體，德國生產），它主要用於熔煉普通碳素鋼、合金鋼、鑄鋼、有色金屬。它具有熔化速度快、節能、高次諧波污染低等優點。

（2）IGBT中頻電源為一種恆功率輸出電源，加少量料即可達到滿功率輸出，並且始終保持不變，所以熔化速度快；因逆變部分採用串聯諧振，且逆變電壓高，所有IGBT中頻比普通可控矽中頻節能；IGBT中頻採用調頻調功，整流部分採用全橋整流，電感和電容濾波，且一直工作在500V，所以IGBT中頻產生高次諧波小，對電網產生污染工低。

（3）節能型IGBT電晶體中頻電源比傳統可控矽中頻電源可節能15%-25%,節能的主要原因有以下幾下方面：

A、逆變電壓高，電流小，線路損耗小，此部分可節能15%左右，節能型IGBT電晶體中頻電源逆變電壓為2800V，而傳統可控矽中頻電源逆變電壓僅為750V，電流小了近4倍，台達伺服是台達公司獨立研發的伺服驅動器、伺服電機或伺服馬達、航空接台達伺服ASDA-A2系列外掛程式的總稱。線路損耗大大降低。

B、功率因數高，功率因數始終大於0.98，無功損耗小，此部分比可控矽中頻電源節能3%-5%。由於節能型IGBT電晶體中頻電源採用了半可控整流方式，整流部分不調可控矽導通角，所以整個工作過程功率因數始終大於0.98，無功率損耗小。

C、 爐品熱損失小，由於節能型IGBT電晶體中頻電源比同等功率可控矽中頻電源一爐可快15分鐘左右，IGBT中頻感應爐15分鐘的時間內爐口損失的熱量可占整個過程的3%，所以此部分比可控矽中頻可節能3%左右。

（4）高次諧波干擾：高次諧波主要來自整流部分調壓時可控矽產生的毛刺電壓，會嚴重污染電網，導致其他設備無法正常工作，節能環保的中頻感應爐製造原理解析。而節能型IGBT電晶體中頻電源的整流部分 採用半可控整流方式，直流電壓始終工作在最高，不調導通角，所以它不會產生高次諧波，不會污染電網、變壓器，開關不發熱，不會干擾工廠內其他電子設備運行。

（5）恆功率輸出：可控矽中頻電源採用調壓調功，而節能型IGBT電晶體中頻電源採用調頻調功，它不受爐料多少和爐襯厚薄的影響，尤其是生產不鏽鋼、銅、鋁等不導磁物質時，更顯示它的優越性，熔化速度快，爐料元素燒損少，降低鑄造成本。

中頻感應加熱中的三種交流效應

表面效應——交變電流通過導體時，沿導體截面上的電流密度不是均勻分布的，最大電流密度出現在導體的表面層，且以指數函式向心部衰減。

鄰近效應——相鄰兩導體通以交流電時，導體中的電流要重新分布，兩者電流反向時，電流聚集在導體的內側，電流同向時被排於導體外側。

圓環效應——當交變電流通過圓形螺線管時，最大電流出現線上圈導體的內側。

中頻感應加熱就是以上三種效應的綜合套用，感應線圈本身表現為圓環效應，爐體表現為表面效應，兩者之間是鄰近效應。

中頻感應加熱設備

中頻電源：由可控矽元件組成的交-直-交變頻電源，將三相工頻電變化成加工所需的特定頻率的單相交流電，提供能源給加熱爐體，將坯料加熱。

諧振電容器櫃：高頻大容量的電熱電容器，與加熱爐體組成LC諧振迴路，產生較強的磁場來加熱爐體中的坯料。

加熱用感應爐：由特製的電解銅（矩形）管繞製成特殊的形狀，中頻電源提供的中頻電流通過時，產生所需的磁場，在坯料中產生相應的感應電流（渦流），使工件自身被渦流加熱到要求的溫度。

中頻感應加熱的套用

1. 鍛造前、熱擠壓，熱軋、藍脆下料等坯料透熱。

2. 熱處理，包括零件的淬火，回火等工藝過程。

3. 釺焊

4. 熔煉黑色、有色及稀貴金屬

5. 高溫燒結鎢、鉬等難熔金屬，粉末冶金等。

6. 拉制單晶矽的穩定電源。