中频感应加热负载分析

中频感应加热负载分析1前言感应加热是电热的一种好的形式。置于交变磁场中的金属工件，由于电磁感应而直接在工件自身产生涡流发热。感应加热具有加热时间短，效率高，便于控制温度，保证加热质量，改善劳动条件，易于组合自动线生产，因此得到越来越广泛的应用。通常，在150～10×103Hz频段的感应加热称为中频感应加热。中频感应加热负载有熔炼、透热、淬火、焊接以及烧结等。本文主要分析普遍应用的熔炼、透热和淬火负载，如图1所示。(a)熔炼(b)透热(c)淬火图1负载示意图2负载等效电路由图1可知，中频感应加热负载有一个共同特点，就是均由一个具有很大电感的空心线圈与被加热工件组成工作负载。因此，它是一个功率因数很低的感性负载。我们常把具有很大电感的线圈叫做感应器。感应器是将电能转换为热能的关键。当在感应器内通以中频大电流而产生强磁场时，便在被加热工件中感应出很大涡流。为分析方便，我们把中频感应加热负载等效为一个变压器，感应器视为原边绕组，工件视为副边绕组，于是便得到了负载等效电路，如图2所示，其中r1、x1表示感应器的电阻与电抗，x12表示互感抗，r2、x2表示被加热工件的电阻与电抗。图2负载等效电路当感应器输入中频电压U时：求解，可得设ρ为阻抗变换系数则由此可知：负载电阻rf=r1+ρ2r2负载电抗xf=x1-ρ2x2负载阻抗负载功率因数有功功率Py=I21rf无功功率Pw=I21xf负载品质因数Q与cos关系对中频感应加热负载来说，通常xfrf，因此，cos很低，典型负载的Q值和cos值见表1。求解，可得设ρ为阻抗变换系数则由此可知：负载电阻r=r+ρr负载电抗x=x-ρx负载阻抗负载功率因数有功功率P=Ir无功功率P=Ix负载品质因数Q与cos关系对中频感应加热负载来说，通常xr，因此，cos很低，典型负载的Q值和cos值见表1。表1求解，可得设ρ为阻抗变换系数则由此可知：负载电阻r=r+ρr负载电抗x=x-ρx负载阻抗负载功率因数有功功率P=Ir无功功率P=Ix负载品质因数Q与cos关系对中频感应加热负载来说，通常xr，因此，cos很低，典型负载的Q值和cos值见表1。负载熔炼透热淬火Q值10～204～102～4cos值0.05～0.10.1～0.30.3～0.53负载振荡回路从表1可知，中频感应加热负载为值很低的感性负载。为提高功率因数，有效利用电源容量，采用中频电容器补偿无功功率，这样便组成了振荡回路。根据补偿形式，可分为串联振荡回路和并联振荡回路。3.1串联振荡回路(1)串联振荡回路如图3所示。图3串联振荡回路由图3，可得：当电路出现谐振时，由此可见，在谐振时，电源电压U全部加在电阻上，而串联电容两端电压UC和电感端电压UL其值相等，方向相反，均为电源电压的Q倍，因此，串联谐振为电压谐振。(2)串联振荡回路的频率特性根据上述分析，我们可得到串联振荡回路的阻抗和电流：假定L、C和r值不变(Q为常数)时，在输入电压U条件下，可绘制Z与I随ω的变化情况，如图4。图4串联振荡的频率特性从图4可知，当ω=0时，由于容抗的阻挡，I=0。当频率逐渐增大而容抗逐渐变小，感抗逐渐增大，电流也逐渐增大，回路呈容性。当ω=ω0时，电路处于谐振状态，电流达到最大值，UC=UL=QU，回路为纯电阻负载。当ω继续增大，因容抗小于感抗，电流下降，此时回路呈感性。上述分析可用表2和图5来综合描述。表2频率电容与电感上的电压电流变化回路性质矢量图ω＜ω0UC＞ULI变大容性(超前)图5aω=ω0UC=UL=QUI=I0(最大)阻性(cos=1)图5bω＞ω0UC＜ULI变小感性(滞后)图5c(a)(b)(c)图5矢量图如果考虑L、C和r的变化情况，此时：由此，可得到不同Q值下回路的谐振曲线变化情况，如图6所示。图6几种Q值下的谐振曲线由图6可知，串联振荡电路中参数变化对频率的影响，完全体现在Q值上。对晶闸管中频电源串联逆变器，需要它的负载为容性，其超前功率因数角为20°～45°，为获得容性负载，中频电容必须过补偿，即工作频率必须低于谐振固有频率ω0。在中频机组供电情况下，要特别注意补偿电容器问题，千万不能使机组“自激”，以免损坏电机绝缘。此时，除了负载补偿外，还应考虑中频发电机的内阻抗等。3.2并联谐振回路(1)并联谐振回路如图7所示。图7并联振荡回路考虑Lr，则当电路谐振时，式中：由此可知，在谐振时负载阻抗为纯等效电阻负载，电源仅供给有功电流I0。在振荡回路中的电流很大，为输出电流I0的Q倍，因此并联谐振为电流谐振。(2)并联振荡回路的频率特性根据分析串联振荡回路的方法，我们同样可以得出并联振荡回路频率特性相类似的结果。在Q值不变(即电路L、C和r不变)条件下负载阻抗Z、I与频率的关系如图8所示。图8并联振荡的频率特性电路在不同频率时的特性见表3和图9。表3频率电容与电感支路电流阻抗变化回路性质矢量图ω＜ω0IC＜ILZ变大感性(滞后)图9aω=ω0IC=IL=QI0Z=Z0(最大)阻性(cos=1)图9bω＞ω0IC＞ILZ变小容性(超前)图9c(a)(b)(c)图9矢量图根据回路阻抗当Q值变化时，则通频带变大或缩小。Q值降低，通频带增大；Q值增大，通频带缩小。对晶闸管中频电源并联逆变器，必须运行在超前角30°左右，因此，负载跟串联振荡回路一样也为容性，但工作频率ω应大于负载振荡回路的固有频率ω0。对中频机组供电情况，为有效利用电源装置的容量。一般希望运行在负载的谐振频率接近于机组的固有频率(固定频率)，但由于在加热过程中负载参数随温度变化而改变，因此，需要通过不断改变电容器C值来调节负载谐振频率ω0和功率因数cos。4负载在加热过程中的变化中频感应加热负载在加热过程中的变化受多方面因素影响，反映在负载振荡回路中的参数变化相当复杂，详细分析是比较困难的。这里就实际运行中的几个典型参数变化情况作简要说明。通过前面的分析可知，中频感应加热负载实际上应由感应器，被加热工件和补偿电容器三部分组成，如图7所示。被加热工件有磁性材料(如铁等)和非磁性材料(如铜等)之分。不同性质的工件对温度变化的反应是不一样的。对非磁性工件而言，其在加热过程中导磁率(μ=1)不变，则电感Ls也几乎不变，而电阻rs则随温度升高而增大。对磁性工件来说，加热过程中温度变化所引起的电参数变化非常复杂，图10示出了铁磁材料ρ和μ的温度变化曲线。由图10可知，在磁性变态点之前，电阻系数ρ和导磁率μ均在变化，一般称这种状态为冷态。当工件温度达到磁性变态点以上时，ρ和μ均趋于稳定，这种状态称为热态。冷态加热开始时，μ几乎不变，即Ls也几乎不变，此时电阻rs随ρ的上升而增大，当温度接近磁性变态点时，导磁率μ有明显下降，这不仅使Ls急剧减小，同时由于渗透深度的迅速增大，因此rs也减小。图10磁性材料ρ和μ温度变化曲线在C和ω均为不变条件下，负载阻抗Z随温度的变化参见图11。图11负载阻抗温度变化曲线由图11可知，冷态阻抗小，热态阻抗大，这就是晶闸管中频熔炼设备为什么热炉起动容易，冷炉起动困难的原因。图11所示的负载阻抗变化规律，对我们分析负载电路特性非常有用。根据这种特性，我们可以在电源设计时采取措施，实现恒功率输出，还有频率自动跟踪，功率因数自动调节等。5结语通过对负载形式、等效电路、振荡回路以及温度变化对负载阻抗的影响等均作了分析计算，给出了图表或提出了经验数据。