感應加熱

　　感應加熱：工件放到感應器內，感應器一般是輸入中頻或高頻交流電 (300-300000Hz或更高)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，到心部接近于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。
 

　　感應加熱感應加熱多數(shù)用于工業(yè)金屬零件表面淬火、金屬熔煉、棒料透熱、刀具焊接等多個領域，是使工件內部產生一定的感應電流，形成渦流，迅速加熱零件表面，達到表面迅速加熱，甚至透熱融化的效果。

　　頻率選擇

　　感應加熱頻率的選擇：根據(jù)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(10KHZ以上)加熱的深度為0.5-2.5mm, 一般用于中小型零件的加熱，如小模數(shù)齒輪及中小軸類零件等。

　　中頻(1~10KHZ)加熱深度為2-10mm，一般用于直徑大的軸類和大中模數(shù)的齒輪加熱。

　　工頻(50HZ)加熱淬硬層深度為10-20mm，一般用于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。

　　經驗公式

　　感應加熱淬火表層淬硬層的深度，取決于加熱的厚度，而加熱的厚度又取決于交流電的頻率，一般是頻率高加熱深度淺，淬硬層深度也就淺。頻率f與加熱深度δ的關系，有如下經驗公式：δ=20/√f(20°C)；δ=500/√f(800°C)。

　　式中：f為頻率，單位為Hz；δ為加熱深度，單位為毫米（mm）。

　　具體應用

　　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(yōu)點，所以感應加熱設備在金屬表面熱處理中得到了廣泛應用。

　　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。

　　淬火應用

　　感應加熱表面淬火的應用

　　一、應用：

　　承受扭轉、彎曲等交變負荷作用的工件，要求表面層承受比心部更高的應力或耐磨性，需對工件表面提出強化要求，適于含碳量We=0.40～0.50%鋼材。

　　二、工藝方法

　　快速加熱與立即淬火冷卻相結合。

　　通過快速加熱使待加工鋼件表面達到淬火溫度，不等熱量傳到中心即迅速冷卻，僅使表層淬硬為馬氏體，中心仍為未淬火的原來塑性、韌性較好的退火（或正火及調質）組織。

　　三、主要方法：

　　感應加熱表面淬火（高頻、中頻、工頻）,火焰加熱表面淬火，電接觸加熱表面淬火，電解液加熱表面淬火，激光加熱表面淬火，電子束加熱表面淬火。

　　四、感應加熱表面淬火

　　(一）基本原理：

　　將工件放在用空心銅管繞成的感應器內，通入中頻或高頻交流電后，在工件表面形成同頻率的的感應電流，將零件表面迅速加熱（幾秒鐘內即可升溫800～1000度，心部仍接近室溫）后立即噴水冷卻（或浸油淬火)，使工件表面層淬硬。(如下面動畫所示)

　　(二）加熱頻率的選用

　　室溫時感應電流流入工件表層的深度δ（mm）與電流頻率f（HZ）的關系為

　　頻率升高，電流透入深度降低，淬透層降低。

　　常用的電流頻率有：

　　1、高頻加熱：100～500KHZ，常用200～300KHZ，為電子管式高頻加熱，淬硬層深為0.5～2.5mm，適于中小型零件。

　　2、中頻加熱：電流頻率為500～10000HZ，常用2500～8000HZ，電源設備為機械式中頻加熱裝置或可控硅中頻發(fā)生器。淬硬層深度～10 mm。適于較大直徑的軸類、中大齒輪等。

　　3、工頻加熱：電流頻率為50HZ。采用機械式工頻加熱電源設備，淬硬層深可達10～20mm，適于大直徑工件的表面淬火。

　　(三）、感應加熱表面淬火的應用：

　　與普通加熱淬火比較具有：

　　1、加熱速度極快，可擴大A體轉變溫度范圍，縮短轉變時間。

　　2、淬火后工件表層可得到極細的隱晶馬氏體，硬度稍高（2～3HRC）。脆性較低及較高疲勞強度。

　　3、經該工藝處理的工件不易氧化脫碳，甚至有些工件處理后可直接裝配使用。

　　4、淬硬層深，易于控制操作，易于實現(xiàn)機械化，自動化。

　　五、火焰表面加熱淬火

　　適于中碳鋼35、45鋼和中碳合金結構鋼40Cr及65Mn、灰口鑄鐵、合金鑄鐵的火焰表面淬火。是用乙炔-氧或煤氣-氧混合氣燃燒的火焰噴射快速加熱工件。工件表面達到淬火溫度后，立即噴水冷卻。淬硬層深度為2～6mm，否則會引起工件表面嚴重過熱及變形開裂。

　　技術研究

　　現(xiàn)代感應加熱電源正朝著大功率，高頻化方向發(fā)展。這對現(xiàn)代電力電子器件來說是一個相當大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的方法是采用器件串并聯(lián)的方式，但這存在器件之間均流均壓閑難的問題，特別是當器件串并聯(lián)很多時，則需要保證精確的同步信號，以避免器件之間的環(huán)流損壞電力電子器件。但在很多情況下這很難精確保證。特別是當串并聯(lián)器件較多功率等級很大時，它的優(yōu)良特性可有效地減少逆變橋并聯(lián)之間的環(huán)流，通過參數(shù)設計可以均衡各橋的功率分配，降低器件的損耗，從而有效地解決了逆變橋并聯(lián)中出現(xiàn)的一些問題，有利于感應加熱電源多橋并聯(lián)，提高輸出功率和可靠性。

　　電壓型LLC負載拓撲如圖1所示。由圖1可知，不同之處是在以往LC并聯(lián)負載基礎上再串聯(lián)一個電感L1，L2和R為感應圈的等效電路，通常L1比L2大很多，L1參與諧振并起到隔離負載和電源，調節(jié)功率分配的作用?？梢娝c傳統(tǒng)感應加熱電源中的負載匹配變壓器作用很相似，因而可以消除造價昂貴，效率不高的高頻變壓器，使得整個裝置的體積縮小、重量減輕。LLC諧振電路阻抗表達式為

　　由基本的電路分析可得它有兩個諧振頻率， 一個是并聯(lián)諧振頻率f0和一個串聯(lián)諧振頻率f1

　　式中：Leq=L1//L2。

　　定義k=L1/L2，一般來說k值較大以滿足負載匹配的要求，因此f0與f1很接近。為了獲得較大功率以及控制系統(tǒng)設計方便，系統(tǒng)的理想工作點在f1。Q=L2ωo/R≈L2ω1/R為了負載的品質因數(shù){Q》1)，將k》1，Q代入式(1)，則在諧振點有

　　由式(3)可知在ω1、點電源工仵在感性狀態(tài)以保證開關管可靠換流，且電容上電壓滯后逆變器輸出電壓90°?？梢宰C明在ω1點為輸出功率最大值。

　　由式(4)可看出電感L1起到阻抗變換，功率調節(jié)作用。系統(tǒng)功率曲線以及阻抗特性曲線如圖2所示。

　　從圖2中可以看出φ(ω)在整個頻域內是非單調函數(shù)，這種特性不利于用鎖相環(huán)控制．相反θ(ω)=arg(vc/v1)卻呈單調變化特性，且在ω1點有θ(ω1)≈-90°，所以．θ(ω)可作為控制變量引入到PLL中，從而鎖定在諧振點。電容上電壓最大值出現(xiàn)在諧振點ω1。 vc ≈v1Q/k (5)

　　2 感應加熱并聯(lián)模塊環(huán)流分析

　　LLC諧振負載最大的優(yōu)點是有利于感應加熱中的多機并聯(lián)，它不需要在逆變器之間附加任何元件，即使各橋的信號延時角度很大也能保證系統(tǒng)止常工作，抑制各橋之間的環(huán)流，調節(jié)各逆變器的輸出功率，多機并聯(lián)圖如圖3所示。