中频感应加热器的设计研究（可编辑）

1、中频感应加热器的设计研究 目录1 绪论91.1 感应加热器的发展91.2感应加热的工作原理101.3 感应加热电源技术发展现状与趋势221.4感应加热电源的工作原理242 感应加热电源及其实现方案研究252.1 串并联谐振电路的比较252.2 串联谐振电源工作原理262.3 电路的功率调节原理282.4 本课题设计思路及主要设计内容283 感应加热电源电路的主回路设计303.1 主电路的主要设计技术参数303.2 感应加热电源电路的主回路结构30主电路结构框图如图3.1所示:303.2.1主回路的等效模型323.2.2 整流部分电路分析353.2.3逆变部分电路分析373.3 系统主回路的元器

2、件参数设定393.3.1整流二极管和滤波电路元件选择393.3.2 IGBT和续流二极管的选择403.3.3槽路电容和电感的参数设定414 控制电路的设计434.1 控制芯片SG3525A444.1.1内部逻辑电路结构分析444.1.2芯片管脚及其功能介绍464.2 电流互感器485 驱动电路的设计505.1 绝缘栅双极型晶体管(IGBT)对驱动电路的要求505.1.1 门极电压对开关特性的影响及选择505.1.2门极串联电阻对开关特性的影响及选择505.2 IGBT过压的原因及抑制515.3 IGBT的过流保护535.3.1设计短路保护电路的几点要求535.4 集成光电隔离驱动模块HCPL-

3、316J535.4.1器件特性545.4.2芯片管脚及其功能介绍545.4.3 内部逻辑电路结构分析555.4.4器件功能分析565.4.5驱动电路需要注意的问题586 辅助直流稳压电源596.1 三端固定稳压器596.2 本次设计用的的电源606.2.1 18伏, 15伏稳压电压电源606.2.2 12伏,5伏双路稳压电源606.2.3 元器件选择及参数计算617 硬件调试648 结论66致 谢67参考文献68 中频感应加热器的设计研究设计总说明: 中频感应加热以其加热效率高、速度快,可控性好及易于实现机械化、自动化等优点,已在熔炼、铸造、弯管、热锻、焊接和表面热处理等行业得到广泛的应用。

4、1831年法拉第发现了电磁感应现象,并建立了电磁感应定律,奠定了感应加热的理论基础。而感应加热就是将材料放在高频磁场内例如放到通有高频电流的线圈内部,则磁力线切割材料,在材料中产生感应电动势,从而产生涡流。涡流也是高频电流。由于材料具有电阻,结果使材料发热,利用感应涡流的热效应进行加热。中频感应加热则是采用加热线圈通高频电流产生的磁力线集中在被加热物上、由电磁的感应作用,产生涡旋电流,将被加热物加热。 感应加热与其它的加热方式,如燃气加热,电阻炉加热等不同,它把电能直接送工件内部变成热能,将工件加热。而其他的加热方式是先加热工件表面,然后把热再传导加热内部。 因此在感应加热中存在着三个效应?集

5、肤效应、近邻效应和圆环效应。 集肤效应:当交变电流通过导体时,沿导体截面上的电流分布式部均匀的,最大电流密度出现在导体的表面层,这种电流集聚的现象称为集肤效应。 近邻效应?当两根通有交流电的导体靠得很近时,在互相影响下,两导体中的电流要重新分布。当两根导体流的电流是反方向时,最大电流密度出现在导体内侧;当两根导体流的电流是同方向时,最大电流密度出现在导体外侧,这种现象称为近邻效应。 圆环效应:若将交流电通过圆环形线圈时,最大电流密度出现在线圈导体的内侧,这种现象称为圆环效应。 感应加热则是综合利用这三种效应。在感应线圈中置以金属工件,感应线圈两端加上交流电压,产生交流电流,在工件中产生感应电流

6、。此两电流方向相反,情况与两根平行母线流过方向相反的电流相似。当电流和感应电流相互靠拢时,线圈和工件表现出邻近效应,结果,电流集聚在线圈的内侧表面,电流聚集在工件的外表面。这时线圈本身表现为圆环效应,而工件本身表现为集肤效应。 本设计基于感应加热的原理,研制了20KW中频感应加热器。 本设计中感应加热器采用IGBT作为开关器件,可工作在10 Hz10 kHz频段。它由整流器、滤波器、和逆变器组成。整流器采用不可控三相全桥式整流电路。滤波器采用两个电解电容和一个电感组成型滤波器滤波和无源功率因数校正。逆变器主要由PWM控制器SG3525A控制四个IGBT的开通和关断,实现DC-AC的转换。 设计

7、中采用的芯片主要是PWM控制器SG3525A和光耦合驱动电路HCPL-316J。 设计过程中程充分利用了SG3525A的控制性能,具有宽的可调工作频率,死区时间可调,具有输入欠电压锁定功能和双路输出电流。在中小容量变频电源的设计中,采用自关断器件的脉宽调制系统比非自关断器件的相控系统具有更多的优越性。第一代脉宽调制器SG3525A应用于交流电机调速、UPS电源以及其他需要PWM脉冲的领域。其外围电路可对串联谐振式逆变电源进行多功能控制,实现H桥式IGBT脉宽调制PWM信号的生成和逆变电源的保护功能,以及变频电源工作过程中谐振频率的跟踪控制。SG3525脉宽调制型控制器是美国通用电气公司的产品,

8、作为SG3524的改进型,更适合于运用MOS管作为开关器件的DC/DC变换器,它是采用双级型工艺制作的新型模拟数字混合集成电路,性能优异,所需外围器件较少。它的主要特点是:输出级采用推挽输出,双通道输出,占空比0-50%可调,每一通道的驱动电流最大值可达200mA,灌拉电流峰值可达500mA。可直接驱动功率MOS管,工作频率高达400KHz,具有欠压锁定、过压保护和软启动等功能。该电路由基准电压源、震荡器、误差放大器、PWM比较器与锁存器、分相器、欠压锁定输出驱动级,软启动及关断电路等组成,可正常工作的温度范围是0-700。基准电压为5.1 V士1%,工作电压范围很宽,为8V到35V。由于HC

9、PL-316J具有快的开关速度(500ns),光隔离,故障状态反馈,可配置自动复位、自动关闭等功能,所以选择其作为IGBT的驱动。其内部集成集电极-发射极电压(UGE)欠饱和检测电路及故障状态反馈电路。HCPL316J 是一种简单的智能型驱动器芯片。用户可根据需要灵活设置高电平输入、高电平输出和低电平输入、高电平输出的输入方式,自动复位或通过控制复位,故障自动关断,光耦隔离,CMOS/TTL 电平兼容,集成的退饱和电压检测,有回滞的低电压闭锁UVLO ,软关断IGBT 技术及隔离的故障反馈信号。IGBT栅极最大驱动电流可达2. 5 A ,最大驱动电流 150 A , 1 200 V ,最大开关

10、速度为500 ns ,较宽的工作电压范围为1530 V。 本次毕业中,分析了感应加热器的工作原理,选择合适的方案并设计了中频感应加热器的电路图,设计了整个系统的控制和驱动电路,完成了系统的整个电路的设计制作,撰写了设计说明说一份,设计电路图大号图纸若干。 关键词:感应加热电源;串联谐振;逆变电路;IGBT The design of medium frequency induction heater Introduction The Intermediate Frequency Induction Heating has been widely applied in melting, cast

11、ing, bend, hot forging, welding, Surface Heat Treatment due to its advantages of high heating efficiency、high speed、easily controlled、easily being mechanized and automated. 1831 Faraday discovered electricity induction phenomenon, and to establish a law on electromagnetic induction, laid the inducti

12、on heating theoretical basis. And induction heating is within the materials on high-frequency magnetic field for example on the inside of a high frequency current coil, while in material, magnetic wire-cutting materials produced in induction emf, resulting in a vortex. Eddy current is also high-freq

13、uency currents. Due to materials, the results make materials with resistance, use inductive heating overheats heat. Vortex Intermediate frequency induction heating is general by heating coil produced high-frequency currents as the thing on the heated by electromagnetic induction, role, produce vorte

14、x current, will be heating content heating Induction heating and other heating mode, such as gas heating, resistance furnace heating is different, it sent directly within the energy into heat, workpiece heating the workpiece. While other heating mode is first heating surface of workpiece, then the h

15、eat conduction heating again inside So in induction heating exist in three effect - set skin effect, nearest-neighbor effect and circle effect when alternating current skin effect when the conductor by conductor, the current section evenly distributed department, the imum current density appeared in

16、 the surface layer, the current conductor gathered phenomenon known as set skin effect Induction heating is comprehensive utilization of these 3 kinds of effects. In induction coils of metal workpieces, to buy with ac voltage induction coils, creating both ends of the workpiece, alternating current

17、induced current. The two current situation in opposite directions, with two root parallel busbar through opposite current similar. When current and induction current mutual close, coil and workpiece show proximity effect, results, current gathered in the inside surface, current coil gathered in the

18、outer surface of the workpiece. Then coil itself performance for circle effects, and the workpiece itself skin effect performance for the set This design based on the principle of inductive heating 20KW mid-frequency induction heater is developed The thesis discusses the Choice of converter scheme i

19、n detail. Series Resonance Inverter has another name is Voltage Inverter. Its Output Voltage approaches square wave and load current approaches sine-wave. Inversion must follow the Principles of break before make and there is enough dead-time between turn-off and turn on in order to avoiding direct

20、through in upper and lower bridgesDesign is mainly used in the chip PWM controller SG3525A and light coupling drive circuit HCPL - 316J Design process SG3525A medium-range made full use of the control performance, with wide adjustable working frequency and dead zone time adjustable, with input owe v

21、oltage locking function and double ways of output current. In small and medium-sized capacity in the design of the variable frequency power, adopting the shutoff device of pulse width modulation system since shutoff device than the the phased system has more advantages. The first generation of pulse

22、 width omdulatros SG3525A used in ac motor speed, UPS power and other needs of PWM pulse field. Its periphery circuit can about the serial resonant inverter power for multi-function control, realize H bridge type IGBT pulse width modulation PWM signal generation and inverter power supply, the protec

23、tion function and frequency conversion power work process tracking control of the resonant frequency SG3525 pulse width modulation model controller is the general electric companys products, as SG3524 modified, the more suitable for use as switching device MOS tube of DC/DC converter, it is double t

24、he production process of new type level simulate digital hybrid integrated circuit, excellent performance and peripheral equipments required less. Its main features are: output level by the push-pull output, double channel output, occupies emptiescompared to 0-50% adjustable, each channel drive curr

25、ent imum of 200mA, irrigation pull current peak can reach 500mA. Direct drive power MOS tube, the work high frequency 400KHz, have undervoltage lock, over-voltage protection and soft start, and other functions. This circuit voltage sources by benchmark, oscillators, error amplifiers, PWM comparator

26、and latches, points phase detectors, undervoltage locking output driver stage, soft start-up and shut off the circuit etc, can working temperature range is 0-700 . Benchmark voltage of 5.1 V and 1%, working voltage range is very wide, for 8V to 35V. Because 316J HCPL - with fast switching speed 500n

27、s, light isolation, fault state feedback, can configure automatic reset, shut down automatically, and other functions, so choose the driver as IGBT. Its internal integration collector - emitter voltage UGE owe saturated detection circuit and fault state feedback circuit. HCPL316J is a simple intelli

28、gent drive chip. Users can according to need flexible setup high-level input and high level output and low-level input and high level output input modes, automatic reset or by controlling reset, fault of automatic shutoff, light coupling isolation, CMOS/TTL level compatible, integration, refund satu

29、ration voltage detection hysteresis low voltage atresia UVLO, soft shutoff IGBT technology and the isolation of fault feedback signal. IGBT drive current largest screens can reach 2. 5 A, imum driving current 150 A, 1 200 V, imum switching speed of 500 ns, more wide working voltage range is 15 30 V

30、This graduate, analyses the working principle of induction heater, choosing the appropriate solutions and design the circuit diagram of medium frequency induction heater, design the system control and drive circuit of the system, complete the circuit design production, written design elucidation sai

31、d a, design the circuit diagram large drawings severalKey words:Induction heating power supply; series resonance;inverse circuit;IGBT1 绪论 感应加热具有加热效率高、速度快、可控性好及易于实现自动化等优点,广泛应用于金属熔炼、透热、热处理和焊接等工业生产过程中,成为冶金、国防、机械加工等部门及铸、锻和船舶、飞机、汽车制造业等不可缺少的技术手段。1.1 感应加热器的发展 使用加热的手段使炉膛中的炉料加热、熔化,并将液态金属再加热到所需温度,这就是熔炼。熔炼广泛应用

32、于金属冶炼和铸造领域。感应加热技术诞生以前,都是使用煤气或石油为能源的装置来加热熔化金属。1890年瑞典人发明了第1台感应熔炼炉?开槽式有芯炉,1916年美国人制造出闭槽式有芯炉,用于有色金属的冶炼。工频炉产生于20世纪30年代,1921年无芯炉在美国出现,采用火花式中频电源,后来出现了中频机组电源和现在的晶闸管变频电源。 在我国,一个时期以来,感应熔炼炉得到迅速发展,在电力充足的情况下,日渐取代冲天炉。目前,无芯工频感应炉容量已达110 t,有芯工频感应炉容量则高达270 t。近年来,中频感应炉的发展及其所呈现的优越性,给铸造领域的生产注入了新的活力。 目前,在铸造生产中应用最多最普遍的感应

33、熔炼炉有工频感应炉和中频感应炉。工频感应电源在给熔炼炉送电时,有如下缺点: 1 冷炉启动时,炉内需加入金属块,生产不够灵活; 2 熔炼炉在加热和熔化金属时,炉料翻腾剧烈,对炉壁冲刷严重,炉衬使用寿命短。 3 工频感应炉熔化冷料速度慢、不利于造渣; 4 工频感应电源功率因数低,需配置大量补偿电容器,也增加了占地面积和设备投资。 所以,目前工频感应熔炼炉向大容量发展己基本停止。 现阶段中频感应炉的发展令人瞩目。与工频炉相比中频感应熔炼炉的电效率和热效率高、熔炼时间短、省电、占地面积较少、投资较低,易于实现过程自动化和具有生产灵活性。中频炉对炉料的适应性较强,炉料的品种和块度可在较宽的范围内变动。更

34、适合熔炼铸铁,特别适合熔炼合金铸铁、球墨铸铁和蠕墨铸铁。另外,中频感应炉的熔化率远远超过了工频感应炉,所以在铸铁生产领域中频感应熔炼炉正在逐步取代工频感应熔炼炉。 中频熔炼炉的发展得益于感应加热电源技术的发展。感应加热用中频电源技术是通过晶闸管或MOSFET或IGBT等电力半导体器件将工频50Hz变换为中频200Hz-200kHz的技术。初期使用的机械式中频发电机电源,效率低70%85%,己被逐步淘汰出感应加热范围,取而代之的是晶闸管中频电源。晶闸管电源由于它的效率高、无污染、耐冲击、尺寸小等优点,适用范围大大扩展。80年代发展起来的新型感应加热电路IGBT Insulated Gate Bi

35、polar Transistor双极晶体管门电路,由于将MOSFET和GTR两者优点集于一身,因此发展很快,比晶闸管电源更节约能源10%,调节性能好,近年有取代部分晶闸管电源的趋势。随着功率器件向大容量化、高频化发展,必将带动感应加热电源的发展,目前,中频电源的效率已高达95%-98%。作为感应炉使用的变频器额定功率不断提高,近来,9000kW变频器已投产,极大的提高了铸铁的生产能力。 另外,中频感应炉的1个独特发展是用1套供电系统向2台炉子供电,采用这种电源可同时向1台炉子输送熔化功率,向另1台炉子输送保温功率,使电源利用率达到100%。 目前,中频感应炉采用计算机控制系统,自动化程度较高。

36、因为对于大功率中频感应炉,熔化期非常短、过热率非常大,只有采用计算机控制系统才能发挥设备潜力,才能对工厂和操作人员提供最有效的保护。25-30/min速率过热熔化炉料的炉子,在满功率状态几分钟无人看管,很可能造成灾难性事故。目前,大型中频感应炉已装备了比较完整的计算机辅助监视和控制系统,其主要内容包括: 1 当炉子坩埚中金属液达到预编程温度时,保证自动降低炉子功率; 2 炉子固定在测重仪上,测重仪为计算机提供炉子里金属炉料的质量数据; 3 监测、计算和控制金属液温度; 4 为新炉衬提供自动烧结程序; 5 确定达到要求的合金液体成分所需要的碳、硅及其他添加元素的数量; 6 包括1台自动冷启动装置

37、在内的其他有用的必要的功能。 熔化处理系统能够对电源和炉体进行全面自诊断,如果非正常状态就会启动系统报警。1.2感应加热的工作原理 感应加热是采用加热线圈通高频电流产生的磁力线集中在被加热物上、由电磁的感应作用,产生涡旋电流,将被加热物加热。通过在一个导体中产生电流来工作的。 首先,一个铜线圈(通常是螺线管,但不完全),在它内部有一个大的,时变的电流,这个电流通过加在线圈上的时变电压产生(通常是通过施加正弦波的形式)。 然后此电流会创建一个随时间变化的磁场(对于螺线圈来说,),这将产生一个时变的磁通()。 如果一个导体放在磁场中,那么它周围就会产生电压。()。 如果导体是个闭环,感应电压会在导

38、体的外部产生循环的电流。 (式1.2?1) 由于这是一个交流系统,肯定会有阻抗的补偿:如果是直流系统,磁通变化率()将会是0,所以就不会有感应电流产生。 最后,这个产生的电流会在工件中产生的损失,可以有效地使这种加热途径成为一种电阻加热方法,(也就是围绕着钢坯而不是顺沿着钢坯)。 通过考虑在管状金属薄片中的电流流量,已经知道了感应加热工作的基本原理,我们将要观察的是当感应加热一个固体工件时的感应电流。 这个问题的答案是一个相当复杂的数学问题,并且深入的研究它会很浪费时间。因此,我将提供一个简单的描述,来告诉你磁场以及电流是怎么样在要加热的材料上工作的,之后便是解析答案。这种方法就避免了矢量积分

39、,贝塞尔函数等复杂问题。 为了避免讨论磁通的返回路径和最终影响,我们把一个半无限大的平板作为加热对象,只是通过在它上面的无限大的电流来加热它。这个图表示的是无限部分中有限的一部分。代表工作头的电流层左右(x方向)、前后(z方向)无限延伸。在y方向上没有占用所有的空间。 代表工件的半无限大的平板在z方向和x方向上也是无限延伸的,但在y方向上是从0到负无穷。 为了观察电流的去向,我们可以把这个同性质的平板分割成一系列的薄片。 先考虑顶层。它有一个随时间变化的磁场,作用在它上面的是。这也会产生一个大小为的电流密度。这个相位移动(滞后)是由于顶层产生的电磁场和流过它的电流引起的自感产生的。 在平板中的

40、电流密度会产生一个相反的磁场,记为。平板的阻抗和自感应会减弱电流的作用,并且加强磁场,所以小于。 现在考虑下面的部分。这个部分可以看做是+的矢量和,是一个弱磁场。在它内部会产生一个减弱了的电流密度。这个衰减的电流密度产生一个磁场。 下面的第三层是一个由、和适量合成的磁场,也就是一个进一步衰减的磁场,它会产生一个更小的电流密度,而且随着y轴的延伸磁场会越来越弱。 这种效应,也就是表面效应,意味着磁场或是加热的影响集中在工件的表面。 由此可见,让每层薄片的厚度趋于0,并通过解差分方程,可列在x方向的磁场,z方向的电流和x方向的磁通表达式如下: (式1.2?2) 也就是他们都是这种形式的: (式1.

41、2?3) 这是一个相位可变的周期震荡函数和一个指数衰减函数的乘积。 周期震荡函数(注意是可变相位)。 这里假设流经铜线圈的地电流时正弦的。一般来讲,这是一种小小失真的情况。当讨论到如何将铜线圈连接到励磁电路时,我们会更清楚产生这种情况的原因。 这些条件只适用于半无限板,所以他们不能直接应用。然而,他们很简单,而且大多数电磁加热理论是基于他们的。 方程的最重要部分是条件。这是表面的纵深,或是穿透的深度,是电流值下降到表面值1/e的深度。 (式1.2?4) 通过对穿透深度方程的观察,可以看出,加热深度是电阻率、渗透率和频率的函数。由于工件的电阻率和渗透率是由工件自己决定的,所以控制电流渗透到工件深

42、度的唯一方法就是改变频率。这就是为什么感应加热系统分为三个不同的频段: 主频?用于加热大的金属工件(气缸等) 中频?用于加热小一点的钢坯和钢带?15mm以下 射频?用于表面加热或是非常小的工件。 尽管在射频磁场下电流可以产生到材料的表面,但是射频感应加热器也能用于加热,它可以通过热传导来加热材料。这就限制了材料加热的速率,而且过高的能量会使表面融化但里面才刚刚温和。 另一个在方程要注意的是在震荡期间的相移。由于y方向位置的下降,电流、H场和磁通会变得更加迟缓。 在平板中的总电流(每单位长度)可以通过对电流密度从表面到负无穷的积分得到,考虑到半无限轴,y。 电流密度已被定义为: (式1.2?5)

43、 是表面的电流密度。随着深度变化的电流相移会对积分有影响,其计算结果为: (式1.2?6) 这个总电流,我可以认为是流经1个表面厚度的电流。因此,随着半无限平板的延伸,我们可以把y方向变成一个载有总电流的、厚度为的电流层。 这只是一个定义,但是它相当的有用。 最重要的一点是它允许定义表面的能量密度,而且从它可以得到一个等效电路。 到目前为止,我们已经得到了工件中的总电流,并且阐述了这个总电流可以一律地集中在材料的外表面。 (式1.2?7) 如果这是正确的,那么表面的能量密度就能得到,通过公式。 所以,对于一个表面积是1m1m的区域来说, (式1.2?8) 所以,用, (式1.2?9) 现在,我

44、们已经知道工件的功率是工件表面电流的函数,但这还没有和感应加热真正的联系到一起:能量石通过磁场提供的,而不是直接相连的。 为了把能量和铜线圈联系起来,还要考虑一个长的螺线管。 铜线圈中总电流密度等于线圈电流乘以匝数再除以线圈长度。 (式1.2?10) 我们可以用上式替换功率中的,得到 (式1.2?11) 由此,我们可知功率和长螺线管中铜线圈的电流有关。如果我们考虑螺线管中磁场 (式1.2?12) 这是和表面电流密度相等的。因此将替换到功率的公式中,得 (式1.2?13) 符号RMS代表磁场的均方根值。(式1.2?14) 为了表明工件性质对表面功率的影响,现在列出三个例子,每个都通有相同的磁场(

45、)和频率(50Hz),但是渗透率和电阻系数不同。 第一个例子是在室温下的软钢(低碳钢)。这种钢材低于居里点(720摄氏度),在这一点铁磁性质会失效,因此磁铁不会吸附在它上面。这意味着低碳钢的相对渗透率比较高。电气工程师会注意到这种钢材的渗透率比你期望的要低的多,通常要超过1000。 这种差异可以解释为把给定的看做是一个大信号量,把期望的看做是一个小信号量。如果期望的(1000)被代入到公式中,就可以得到 (式1.2?15) 在钢材的表面,磁场只有2T就能使钢材饱和。饱和的影响会减少增加的渗透率。 考虑到这种饱和作用,有效的相对渗透率将会降低?也就是说大信号的增加的渗透率被挪用了。20到50之间

46、的有效值经常被应用到钢材的低频感应加热领域。 不论如何,为了得到表面功率,我们首先需要找到电流的渗透深度 (式1.2?16) 替换表面深度到表面功率公式中 (式1.2?17) 要注意在到热钢比冷钢有更深的电流渗透度,这是由电阻系数的增加和在居里点渗透率的快速减少引起的。 尽管热钢的电阻系数是冷钢的5倍多,但在钢中的损失却低很多,因为其中有超过16倍的电流流过。记住材料中的总电流只是H场的函数,所以电流时相同的。阻抗等于电阻系数乘以长度除以面积,所以如果渗透深度更小了,那么阻抗和损失就会更高。 由此可以看出,在固定的磁场强度下,钢材在居里点以下比在居里点以上会被加热的更快。 这是一个普遍的结论,

47、在制作一个感应加热系统时是应该考虑的。 现在我们来看铜的负载,它的穿透深度是冷钢的两倍多。尽管导体的面积是相同的,但是铜材每单位面积上的有效阻抗比冷钢小的多。由此可见在相同的磁场强度下,铜材的损失相对要小一些。当感应加热铜时,这可能会导致问题的出现。 从另一方面说,如果这个H场源(也就是工作头)也被看做是一个半无限平板,始于工件半无限板结束的地方,那么对它的分析和对工件的分析一样是有效的。 由于在负载板表面的H场和场源板的表面的H场是等效的,所以前面的计算均有效。 (式1.2?18) 在同一磁场强度下,在居里点以上或以下加热钢材的相对效率都可以计算出来。 效率加热到负载的热量/总热量 总热量-

48、加热到负载的热量+加热到工作头的热量 理论上的效率值为: 冷钢 热钢89% 冷铜50% 这些值是在假设工件的长和宽与工作头的长宽相等的条件下计算出来的。事实上,一个实际的工件的宽可能和实际工作头的宽相等,但工作头的长度必须要长一些,因为它是围绕在工件周围的。因此效率要比计算出来的要低。 把表面深的的公式代入表面功率的公式中,把之后得到的式子代入到效率的计算公式中,把工作头和工件均考虑进去,最后可得出最接近的效率公式: (式1.2?19) 很容易得到如下结论:如果要有效地加热,你需要高导的铜线圈,和高电阻的工件,如果工件具有较高的渗透性,那么效率还能得到提高。 当然,这里运用了很多假设,至少这个

49、半无限平板模型是:这一结果表明,你可以感应加热空气(电阻无限大)效率达100%。这显然并非如此。 此外,此分析假设工作头是同一性质的电流层,而不是有绝缘层分开的一系列不相关的回转。这就意味着流经工作头的电流会减少,局部的电流密度会更高,损耗也会增加。这是由于实际工作头电流路径的长度比实际工件电流路径的长度更长而造成的。 为了建立一个工作头和工件更好的模型(其中这个模型包括阻抗的损耗),我们可以通过考虑磁通量来建立一个等效的电路。 我们首先要通过工件中的磁通量得到工件中的电磁场。 如果我们从磁通密度开始的话,那么,一般形式为: (式1.2?20) 在这里,你可以改变材料的幅度和相位。 如果假设材

50、料是线性的,那么 (式1.2?21) 然后就可以用代替,并能够把磁通密度和所应用的H场联系起来。 磁通密度是空间磁通的变化率,由此可得到工件中的磁通,所以磁通就是空间磁通密度的积分。 所以,工件中的总磁通可以通过对半无限平板厚度的磁通密度的积分得到。 (式1.2?22) (注意和总电流的相似度) 有基本的电磁场定义可知,在铜线圈中的电磁场等于匝数乘以铜线圈中磁通随时间的变化率。 (式1.2?23) 当然,工件中的N1,但是我们能通过把匝数代入到N中得到电压值。 所以,为了区别随时间变化的总磁通,再乘以铜线圈的匝数,可以得到关于工件中磁通的感应电压为 (式1.2?24) 或者是用余弦的形式 (式

51、1.2?25) 也就是说电压会与H场有45度的相移。如果我们假设一个长螺线管中,把H带进去得到: (式1.2?26) 也就是说电压导致电流增加了45度,更通俗地讲,电流滞后电压45度。 如果我们用这种形式 (式1.2?27) 是功率因数,可以看出这个工件的功率因数是,或是。 如果E和I是复杂的交流信号而不是目前所用的信号,我们可以得到电磁感应电压如下: (式1.2?28) 如果我们用欧姆定律的形式考虑此式,通过铜线圈的终端,可以得到工件的阻抗为 (式1.2?29) 可以得到相同的电阻和电抗:,(式1.2?30) 更进一步,如果我们考虑电感的电抗 这个电抗可以表达为一个等效的电感 (式1.2?31) 这个等效电路可以用来分析被螺线管紧紧围绕的大的圆柱体(d20)。 (式1.2?32) 是围绕在工件周围通电路径的长度。 同样地,(式1.2?33) 由于铜线圈可以近似为一个半无限平板,导体的厚度是电流表面深度的10倍,所以可以用同样的方式来定义等效电路的元器件