感应加热

　　感应加热：工件放到感应器内，感应器一般是输入中频或高频交流电 (300-300000Hz或更高)的空心铜管。产生交变磁场在工件中产生出同频率的感应电流，这种感应电流在工件的分布是不均匀的，在表面强，而在内部很弱，到心部接近于0，利用这个集肤效应，可使工件表面迅速加热，在几秒钟内表面温度上升到800-1000oC，而心部温度升高很小。
 

　　感应加热感应加热多数用于工业金属零件表面淬火、金属熔炼、棒料透热、刀具焊接等多个领域，是使工件内部产生一定的感应电流，形成涡流，迅速加热零件表面，达到表面迅速加热，甚至透热融化的效果。

　　频率选择

　　感应加热频率的选择：根据热处理及加热深度的要求选择频率，频率越高加热的深度越浅。

　　高频(10KHZ以上)加热的深度为0.5-2.5mm, 一般用于中小型零件的加热，如小模数齿轮及中小轴类零件等。

　　中频(1~10KHZ)加热深度为2-10mm，一般用于直径大的轴类和大中模数的齿轮加热。

　　工频(50HZ)加热淬硬层深度为10-20mm，一般用于较大尺寸零件的透热，大直径零件（直径Ø300mm以上，如轧辊等）的表面淬火。

　　经验公式

　　感应加热淬火表层淬硬层的深度，取决于加热的厚度，而加热的厚度又取决于交流电的频率，一般是频率高加热深度浅，淬硬层深度也就浅。频率f与加热深度δ的关系，有如下经验公式：δ=20/√f(20°C)；δ=500/√f(800°C)。

　　式中：f为频率，单位为Hz；δ为加热深度，单位为毫米（mm）。

　　具体应用

　　感应加热表面淬火具有表面质量好，脆性小，淬火表面不易氧化脱碳，变形小等优点，所以感应加热设备在金属表面热处理中得到了广泛应用。

　　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。

　　淬火应用

　　感应加热表面淬火的应用

　　一、应用：

　　承受扭转、弯曲等交变负荷作用的工件，要求表面层承受比心部更高的应力或耐磨性，需对工件表面提出强化要求，适于含碳量We=0.40～0.50%钢材。

　　二、工艺方法

　　快速加热与立即淬火冷却相结合。

　　通过快速加热使待加工钢件表面达到淬火温度，不等热量传到中心即迅速冷却，仅使表层淬硬为马氏体，中心仍为未淬火的原来塑性、韧性较好的退火（或正火及调质）组织。

　　三、主要方法：

　　感应加热表面淬火（高频、中频、工频）,火焰加热表面淬火，电接触加热表面淬火，电解液加热表面淬火，激光加热表面淬火，电子束加热表面淬火。

　　四、感应加热表面淬火

　　(一）基本原理：

　　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。(如下面动画所示)

　　(二）加热频率的选用

　　室温时感应电流流入工件表层的深度δ（mm）与电流频率f（HZ）的关系为

　　频率升高，电流透入深度降低，淬透层降低。

　　常用的电流频率有：

　　1、高频加热：100～500KHZ，常用200～300KHZ，为电子管式高频加热，淬硬层深为0.5～2.5mm，适于中小型零件。

　　2、中频加热：电流频率为500～10000HZ，常用2500～8000HZ，电源设备为机械式中频加热装置或可控硅中频发生器。淬硬层深度～10 mm。适于较大直径的轴类、中大齿轮等。

　　3、工频加热：电流频率为50HZ。采用机械式工频加热电源设备，淬硬层深可达10～20mm，适于大直径工件的表面淬火。

　　(三）、感应加热表面淬火的应用：

　　与普通加热淬火比较具有：

　　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。

　　五、火焰表面加热淬火

　　适于中碳钢35、45钢和中碳合金结构钢40Cr及65Mn、灰口铸铁、合金铸铁的火焰表面淬火。是用乙炔-氧或煤气-氧混合气燃烧的火焰喷射快速加热工件。工件表面达到淬火温度后，立即喷水冷却。淬硬层深度为2～6mm，否则会引起工件表面严重过热及变形开裂。

　　技术研究

　　现代感应加热电源正朝着大功率，高频化方向发展。这对现代电力电子器件来说是一个相当大的挑战。传统的方法是采用器件串并联的方式，但这存在器件之间均流均压闲难的问题，特别是当器件串并联很多时，则需要保证精确的同步信号，以避免器件之间的环流损坏电力电子器件。但在很多情况下这很难精确保证。特别是当串并联器件较多功率等级很大时，它的优良特性可有效地减少逆变桥并联之间的环流，通过参数设计可以均衡各桥的功率分配，降低器件的损耗，从而有效地解决了逆变桥并联中出现的一些问题，有利于感应加热电源多桥并联，提高输出功率和可靠性。

　　电压型LLC负载拓扑如图1所示。由图1可知，不同之处是在以往LC并联负载基础上再串联一个电感L1，L2和R为感应圈的等效电路，通常L1比L2大很多，L1参与谐振并起到隔离负载和电源，调节功率分配的作用。可见它与传统感应加热电源中的负载匹配变压器作用很相似，因而可以消除造价昂贵，效率不高的高频变压器，使得整个装置的体积缩小、重量减轻。LLC谐振电路阻抗表达式为

　　由基本的电路分析可得它有两个谐振频率， 一个是并联谐振频率f0和一个串联谐振频率f1

　　式中：Leq=L1//L2。

　　定义k=L1/L2，一般来说k值较大以满足负载匹配的要求，因此f0与f1很接近。为了获得较大功率以及控制系统设计方便，系统的理想工作点在f1。Q=L2ωo/R≈L2ω1/R为了负载的品质因数{Q》1)，将k》1，Q代入式(1)，则在谐振点有

　　由式(3)可知在ω1、点电源工仵在感性状态以保证开关管可靠换流，且电容上电压滞后逆变器输出电压90°。可以证明在ω1点为输出功率最大值。

　　由式(4)可看出电感L1起到阻抗变换，功率调节作用。系统功率曲线以及阻抗特性曲线如图2所示。

　　从图2中可以看出φ(ω)在整个频域内是非单调函数，这种特性不利于用锁相环控制．相反θ(ω)=arg(vc/v1)却呈单调变化特性，且在ω1点有θ(ω1)≈-90°，所以．θ(ω)可作为控制变量引入到PLL中，从而锁定在谐振点。电容上电压最大值出现在谐振点ω1。 vc ≈v1Q/k (5)

　　2 感应加热并联模块环流分析

　　LLC谐振负载最大的优点是有利于感应加热中的多机并联，它不需要在逆变器之间附加任何元件，即使各桥的信号延时角度很大也能保证系统止常工作，抑制各桥之间的环流，调节各逆变器的输出功率，多机并联图如图3所示。