高頻電能

高頻電能，簡單理解，高頻就是指頻率的範圍在50~10000hz之間；像常見的50hz就是工頻。

基本介紹

• 中文名：高頻電能
• 頻率的範圍：50~10000hz之間
• 基本原理：集膚效應
• 主要優點：不必整體加熱工件變形小等

什麼是高頻

感應電流使工件局部加熱的表面熱處理工藝。這種熱處理工藝常用於表面淬火，也可用於局部退火或回火，有時也用於整體淬火和回火。20世紀30年代初，美國、蘇聯先後開始套用感應加熱方法對零件進行表面淬火。隨著工業的發展，感應加熱熱處理技術不斷改進,套用範圍也不斷擴大。

高頻的基本原理

將工件放入感應器(線圈)內，當感應器中通入一定頻率的交變電流時，周圍即產生交變磁場。交變磁場的電磁感應作用使工件內產生封閉的感應電流——渦流。感應電流在工件截面上的分布很不均勻，工件表層電流密度很高，向內逐漸減小, 這種現象稱為集膚效應。工件表層高密度電流的電能轉變為熱能，使表層的溫度升高，即實現表面加熱。電流頻率越高，工件表層與內部的電流密度差則越大，加熱層越薄。在加熱層溫度超過鋼的臨界點溫度後迅速冷卻，即可實現表面淬火。

分類

根據交變電流的頻率高低，可將感應加熱熱處理分為超高頻、高頻、超音頻、中頻、工頻5類。①超高頻感應加熱熱處理所用的電流頻率高達27兆赫，加熱層極薄，僅約0.15毫米，可用於圓盤鋸等形狀複雜工件的薄層表面淬火。②高頻感應加熱熱處理所用的電流頻率通常為200～300千赫，加熱層深度為0.5～2毫米,可用於齒輪、汽缸套、凸輪、軸等零件的表面淬火。③超音頻感應加熱熱處理所用的電流頻率一般為20～30千赫，用超音頻感應電流對小模數齒輪加熱，加熱層大致沿齒廓分布，粹火後使用性能較好。④中頻感應加熱熱處理所用的電流頻率一般為2.5～10千赫，加熱層深度為2～8毫米，多用於大模數齒輪、直徑較大的軸類和冷軋輥等工件的表面淬火。⑤工頻感應加熱熱處理所用的電流頻率為50～60赫，加熱層深度為10～15毫米，可用於大型工件的表面淬火。

特點和套用

感應加熱的主要優點是

①不必整體加熱，工件變形小，電能消耗小。　②無公害。　③加熱速度快，工件表面氧化脫碳較輕。　④表面淬硬層可根據需要進行調整，易於控制。　⑤加熱設備可以安裝在機械加工生產線上，易於實現機械化和自動化，便於管理，且可減少運輸，節約人力，提高生產效率。　⑥淬硬層馬氏體組織較細，硬度、強度、韌性都較高。　⑦表面淬火後工件表層有較大壓縮內應力，工件抗疲勞破斷能力較高。感應加熱熱處理也有一些缺點

與火焰淬火相比，感應加熱設備較複雜，而且適應性較差，對某些形狀複雜的工件難以保證質量。　感應加熱廣泛用於齒輪、軸、曲軸、凸輪、軋輥等工件的表面淬火，目的是提高這些工件的耐磨性和抗疲勞破斷的能力。汽車後半軸採用感應加熱表面淬火，設計載荷下的疲勞循環次數比用調質處理約提高10倍。感應加熱表面淬火的工件材料一般為中碳鋼。為適應某些工件的特殊需要，已研製出供感應加熱表面淬火專用的低淬透性鋼。高碳鋼和鑄鐵製造的工件也可採用感應加熱表面淬火。淬冷介質常用水或高分子聚合物水溶液。

設備

感應加熱熱處理的設備主要由電源設備、淬火工具機和感應器組成。電源設備的主要作用是輸出頻率適宜的交變電流。高頻電流電源設備有電子管高頻發生器和可控矽變頻器兩種。中頻電流電源設備是發電機組。一般電源設備只能輸出一種頻率的電流,有些設備可以改變電流頻率，也可以直接用50赫的工頻電流進行感應加熱。　電源設備的選擇與工件要求的加熱層深度有關。加熱層深的工件，應使用電流頻率較低的電源設備；加熱層淺的工件，應使用電流頻率較高的電源設備。選擇電源設備的另一條件是設備功率。加熱表面面積增大，需要的電源功率相應加大。當加熱表面面積過大時或電源功率不足時，可採用連續加熱的方法，使工件和感應器相對移動，前邊加熱，後邊冷卻。但最好還是對整個加熱表面一次加熱。這樣可以利用工件心部餘熱使淬硬的表層回火，從而使工藝簡化，還可節約電能。　感應加熱淬火工具機的主要作用是使工件定位並進行必要的運動。此外還應附有提供淬火介質的裝置。淬火工具機可分為標準工具機和專用工具機，前者適用於一般工件，後者適用於大量生產的複雜工件。　進行感應加熱熱處理時，為保證熱處理質量和提高熱效率，必須根據工件的形狀和要求，設計製造結構適當的感應器。常用的感應器有外表面加熱感應器、內孔加熱感應器、平面加熱感應器、通用型加熱感應器、特型加熱感應器、單一型加熱感應器、複合型加熱感應器，熔煉加熱爐等。

高頻控制板

高頻大功率感應加熱裝置，多年來一直採用電子管做為開關器件。由於電子管壽命短、效率低(50%-70%)負載穩定性差，在輕載運行過程逆變器輸出電壓出現間歇式振盪(電壓型逆變器)，因此在高頻大功率場合採用IGBT半導體器件代替電子管器件勢在必行。採用IGBT半導體器件的感應加熱裝置具有效率高、電路簡單。製造和使用都較方便，採用IGBT大功率感應加熱電源對工件具有升溫快，易於控制，養化脫碳少工藝質量可靠。因此採用IGBT來實現大功率感應加熱電源是明智的選擇。我公司生產的KS系列和KP系列高頻感應加熱控制板具有數字觸發，免調試，脈衝失真度低，抗干擾能力強，控制集中化，動態回響速度快，多種狀態保護指示。　高頻感應加熱主控制板，主要採用SG3525A作為PWM脈衝形成，輸出脈衝頻率範圍20KHZ—60KHZ,脈衝間隔互為180度，死區時間可以自行調整。可適用於IGBT全橋逆變串聯諧振感應加熱裝置用斬波器調壓調功。功率範圍：15KW-120KW,該控制板接線少，控制集中，無須調試，工作電源電壓為三路交流雙18V/1A及四個22V/0.5A的電源為全橋逆變IGBT驅動電路提供電源。具有過流，過壓，缺水，高頻，低頻，多種狀態指示，並提供開關型霍爾保護接口，此板可配合斬波器板和驅動板組裝IGBT高頻感應加熱裝置。

高頻時常規變換變壓器存在的問題

（1）漏電感（簡稱漏感）　理想的變壓器（完全耦合的變壓器）原邊繞組產生的磁通應全部穿過副邊繞組，沒有任何損失和泄漏。但實際上常規的變換變壓器不可能實現沒有任何損失和泄漏。原邊繞組產生的磁通不可能全部穿過副邊繞組。非耦合部分磁通就在繞組或導體中有它自己的電感，存貯在這個“電感”中的能量不和主功率變壓器電路相耦合。這種電感我們稱之為“漏感”。理想變換器對絕緣的要求和為了要得到很低的電磁干擾（EMI）而需要很緊的電磁耦合以減小漏感的要求，是相互矛盾的。　當變壓器不通電（轉向脫離電源或開關處於關斷期間）時，漏感存貯的能量要釋放出來形成明顯的噪音。在示波器上能看到此噪音的高頻尖峰脈衝波形。高頻尖峰脈衝波形的幅值Uspike和漏感Lleak與電流相對時間變化率的乘積成正比。即：　|Uspike|=Lleakdi/dt（1）　當工作頻率升高，電流相對時間的變化率也就增加。漏感的影響將更嚴重。漏感的影響和變換器的開關速度成正比。漏感產生過高的尖峰脈衝會損壞變換器中的功率器件並形成明顯的電磁干擾（EMI）。為了降低漏感產生的尖峰脈衝幅值Uspike，而在變換器電路中必須加入緩衝網路。但緩衝網路的加入，會增大變換器電路的損耗。使變換器電路隨工作頻率提高，損耗增加，效率降低。　（2）繞組間電容　當變壓器的繞組是多層繞組時，則頂層繞組和底層繞組之間就有電位差。兩個導體之間有電位差，就存在電容。這個電容就稱為“繞組間電容”。當工作在高頻時，這個電容會以驚人的速率進行充電和放電。電容充電和放電過程中會產生損耗。在給定的時間內，它充電和放電的次數愈多，損耗就愈大。　（3）趨膚效應　（4）鄰近效應　（5）局部過熱點　常規的變換變壓器工作在高頻時，其磁芯中部會有局部過熱點。因此，為了減小熱效應，常規變換變壓器的工作頻率提高時，就必須相應地減小其磁通密度，增大其體積。這就使得無法用它去做高功率密度的電源。　對於低輸出電壓理想型變換器來說，它的降壓比是很高的。用常規變換變壓器時，通常1匝輸出繞組，大約需要32匝原邊繞組。這樣，原邊繞組就需多層布置，因而漏感和繞組間電容大、趨膚效應和鄰近效應嚴重等不利因素在變換變壓器中都存在。

高頻電路

高頻電路基本上是由無源元件、有源器件和無源網路組成的。高頻電路中使用的元器件與低頻電路中使用的元器件頻率特性是不同的。高頻電路中無源線性元件主要是電阻（器）、電容（器）和電感（器）。

頻率的劃分

頻率按照規定劃分，以便有專業的交流語言： 超低頻：0.03-300Hz； 極低頻：300-3000Hz(音頻) ；甚低頻：3-300KHz； 長 波：30-300KHz ；中 波：300-3000KHz； 短 波：3-30兆；甚高頻：30-300兆； 超高頻：300-3000兆； 特高頻：3-30G；極高頻：30-300G； 遠紅外：300－3000G。

高頻電路中的元件

（一）電阻　一個實際的電阻器，在低頻時主要表現為電阻特性，但在高頻使用時不僅表現有電阻特性的一面，而且還表現有電抗特性的一面。電阻器的電抗特性反映的就是其高頻特性。　一個電阻R的高頻等效電路，其中，CR為分布電容，LR為引線電感，R為電阻。　（二）電容　由介質隔開的兩導體構成電容。一個理想電容器的容抗為1/(jωC)，電容器的容抗與頻率的關係如圖1—2（b）虛線所示，其中f為工作頻率，ω=2πf。　一個實際電容C的高頻等效電路如圖所示，其中Rc為損耗電阻

，Lc為引線電感。容抗與頻率的關係如圖1—2（b）實線所示，其中f為工作頻率，ω=2πf。　(a)電容器的等效電路；（b）電容器的阻抗特性　（三）電感　理想高頻電感器L的感抗為jωL，其中ω為工作角頻率。　實際高頻電感器存在分布電容和損耗電阻，自身諧振頻率SRF。在SRF上，高頻電感阻抗的幅值最大，而相角為零。

高頻電路中的有源器件

（一）二極體　半導體二極體在高頻中主要用於檢波、調製、解調及混頻等非線性變換電路中。　（二）電晶體與場效應管（FET）　在高頻中套用的電晶體仍然是雙極型電晶體和各種場效應管，在外形結構方面有所不同。高頻電晶體有兩大類型：一類是作小信號放大的高頻小功率管，對它們的主要要求是高增益和低噪聲；另一類為高頻功率管，其在高頻工作時允許有較大管耗，且輸出功率較大。　（三）積體電路　用於高頻的積體電路的類型和品種主要分為通用型和專用型兩種。

高頻振盪（諧振）迴路

高頻電路中的無源組件或無源網路主要有高頻振盪（諧振）迴路、高頻變壓器、諧振器與濾波器等，它們完成信號的傳輸、頻率選擇及阻抗變換等功能。　高頻振盪迴路是高頻電路中套用最廣的無源網路，也是構成高頻放大器、振盪器以及各種濾波器的主要部件，在電路中完成阻抗變換、信號選擇等任務，並可直接作為負載使用。　振盪迴路是由電感和電容組成。只有一個迴路的振盪迴路稱為簡單振盪迴路或單振盪迴路，分為串聯諧振迴路或並聯諧振迴路。　一、串聯諧振迴路　圖1—4串聯震盪迴路及其特性　若在串聯振盪迴路兩端加一恆壓信號，則發生串聯諧振時因阻抗最小，流過電路的電流最大，稱為諧振電流，其值為：　在任意頻率下的迴路電流與諧振電流之比為：　其模為：　其中，　稱為迴路的品質因數，它是振盪迴路的另一個重要參數。根據式（1—6）畫出相應的曲線如圖1—5所示，稱為諧振曲線。　圖1—5串聯諧振迴路的諧振曲線：　圖1—6串聯迴路在諧振時的電流、電壓關係：　在實際套用中，外加信號的頻率ω與迴路諧振頻率ω0之差Δω=ω-ω0表示頻率偏離諧振的程度，稱為失諧。當ω與ω0很接近時，　令ξ為廣義失諧，則式（1—5）可寫成　當保持外加信號的幅值不變而改變其頻率時，將迴路電流值下降為諧振值的時對應的頻率範圍稱為迴路的通頻帶，也稱迴路頻寬，通常用B來表示。令式（1—9）等於，則可推得ξ=±1，從而可得頻寬為　二、並聯諧振迴路　串聯諧振迴路適用於電源內阻為低內阻（如恆壓源）的情況或低阻抗的電路（如微波電路）。　圖1—7並聯諧振迴路及其等效電路、阻抗特性和輻角特性：　(a)並聯諧振迴路；（b）等效電路；（c）阻抗特性；（d）輻角特性　並聯諧振迴路的並聯阻抗為：　定義使感抗與容抗相等的頻率為並聯諧振頻率ω0，令Zp的虛部為零，求解方程的根就是ω0，可得　式中，Q為迴路的品質因數，有　當時，。迴路在諧振時的阻抗最大，為一電阻R0　因為：　並聯迴路通常用於窄帶系統，此時ω與ω0相差不大，式（1—13）可進一步簡化為　式中，Δω=ω-ω0。對應的阻抗模值與幅角分別為　圖1—8表示了並聯振盪迴路中諧振時的電流、電壓關係。　例1設一放大器以簡單並聯振盪迴路為負載，信號中心頻率fs=10MHz，迴路電容C=50pF，　(1)試計算所需的線圈電感值。　(2)若線圈品質因數為Q=100，試計算迴路諧振電阻及迴路頻寬。　(3)若放大器所需的頻寬B=0.5MHz，則應在迴路上並聯多大電阻才能滿足放大器所需頻寬要求？　解　(1)計算L值。由式(1—2)，可得　將f0以兆赫茲(MHz)為單位，C以皮法(pF)為單位，L以微亨（μH）為單位，上式可變為一實用計算公式：　將f0=fs=10MHz代入，得　(2)迴路諧振電阻和頻寬。由式(1—12)　迴路頻寬為　(3)求滿足0.5MHz頻寬的並聯電阻。設迴路上並聯電阻為R1，並聯後的總電阻為R1∥R0，總的迴路有載品質因數為QL。由頻寬公式，有　此時要求的頻寬B=0.5MHz，故　迴路總電阻為　需要在迴路上並聯7.97kΩ的電阻。　三、抽頭並聯振盪迴路　圖1—9幾種常見抽頭振盪迴路　對於圖1—9（b）的電路，其接入係數p可以直接用電容比值表示為　圖1—10電流源的折合諧振時的迴路電流IL和IC與I的比值要小些，而不再是Q倍。由　例2如圖1—11，抽頭迴路由電流源激勵，忽略迴路本身的固有損耗，試求迴路兩端電壓u(t)的表示式及迴路頻寬。　圖1—11例2的抽頭迴路解：由於忽略了迴路本身的固有損耗，因此可以認為Q→∞。由圖可知，迴路電容為　諧振角頻率為電阻R1的接入係數等效到迴路兩端的電阻為　迴路兩端電壓u(t)與i(t)同相，電壓振幅U=IR=2V，故　迴路有載品質因數　迴路頻寬　四、耦合振盪迴路　在高頻電路中，有時用到兩個互相耦合的振盪迴路，也稱為雙調諧迴路。把接有激勵信號源的迴路稱為初級迴路，把與負載相接的迴路稱為次級迴路或負載迴路。圖1—12是兩種常見的耦合迴路。圖1—12（a）是互感耦合電路，圖1—12(b)是電容耦合迴路圖1—12兩種常見的耦合迴路及其等效電路　對於圖1—12（b）電路，耦合係數為　初次級串聯阻抗可分別表示為　耦合阻抗為　由圖1—12（c）等效電路，轉移阻抗為　由次級感應電勢產生，有　考慮次級的反映阻抗，則

高頻和傳輸線變壓器

一、高頻變壓器特點　變壓器是靠磁通交鏈，或者說是靠互感進行耦合的。　(1)為了減少損耗，高頻變壓器常用導磁率μ高、高頻損耗小的軟磁材料作磁芯。　(2)高頻變壓器一般用於小信號場合，尺寸小，線圈的匝數較少。　圖1—14高頻變壓器的磁芯結構　(a)環形磁芯；(b)罐形磁芯；(c)雙孔磁芯　圖1—15高頻變壓器及其等效電路　(a)電路符號；(b)等效電路圖1—16(a)是一中心抽頭變壓器的示意圖。　初級為兩個等匝數的線圈串聯，極性相同，設初次級匝比n=N1/N2。作為理想變壓器看待，線圈間的電壓和電流關係分別為　圖1—16中心抽頭變壓器電路　（a）中心抽頭變壓器電路；（b）作四連線埠器件套用3.2傳輸線變壓器　二、傳輸線變壓器特點　傳輸線變壓器就是利用繞制在磁環上的傳輸線而構成的高頻變壓器。圖1—17為其典型的結構和電路圖。　圖1—17傳輸線變壓器的典型結構和電路　(a)結構示意圖；（b）電路　圖1—18傳輸線變壓器的工作方式　(a)傳輸線方式；(b)變壓器方式　圖1—19傳輸線變壓器的套用舉例?　(a)高頻反相器；(b)不平衡—平衡變換器；(c)1∶4阻抗變換器；(d)3分貝耦合器

各種濾波組件

一、石英晶體諧振器　（一）物理特性　石英晶體諧振器是由天然或人工生成的石英晶體切片製成。

（二）等效電路及阻抗特性　圖1—22是石英晶體諧振器的等效電路。　由圖1—22(b)可看出，晶體諧振器是一串並聯的振盪迴路，其串聯諧振頻率fq和並聯諧振頻率f0　圖1-20石英晶體的形狀及各種切型的位置　（a）形狀；（b）不同切型位置；（c）電路符號　圖1—21石英晶體諧振器（a）外形；（b）內部結構　圖1—22晶體諧振器的等效電路　(a)包括泛音在內的等效電路；(b)諧振頻率附近的等效電路　圖1—22(b)所示的等效電路的阻抗的一般表示式為　在忽略rq後，上式可化簡為　圖1—23晶體諧振器的電抗曲線　圖1—24晶體濾波器的電路與衰減特性?（a）濾波器電路；（b）衰減特性　二、集中濾波器　（一）陶瓷濾波器　圖1—25陶瓷濾波器電路　圖1—26聲表面波濾波器的結構和幅頻特性(a)結構示意圖(b)均勻對稱的幅頻特性

（二）聲表面波濾波器　圖1—26(a)中的聲表面波濾波器的傳輸函式為　圖1--27一種用於通信機中的聲表面波濾波器

（三）衰減器與匹配器　高頻衰減，匹配器　圖1—28T型和Π型網路