中频感应

当通过导体环路所包围的磁通量发生变化时，环路中就会产生感应电势，同样，处于交变磁场中的导体，受电磁感应的作用也产生感应电势，在导体中形成感应电流（涡流），感应电流克服导体本身的电阻而产生焦耳热，用这一热量加热导体本身，使其升温、熔化，达到各种热加工的目的，这就是中频感应加热的原理。

感应加热技术发展历史

自诞生到现在，已经经历了一百多年的发展，已取得了巨大的成果，形成了比较成熟的技术。尤其是 20 世纪 60 年代以后，将固态电力电子器件应用于感应加热领域，使感应加热技术的发展更加突飞猛进。世界各国由于开展感应加热研究和应用时间存在早晚差异，研究现状差别很大。欧美几个工业强国和日本由于在资金和技术方面的优势，在高频和超高频感应加热电源方面处于技术领先地位，基本代表了感应加热电源发展的最高水平。感应加热电源按频率范围可分为以下等级：400Hz 以下为低频；500Hz~20kHz为中频；22kHz~100kHz 为超音频；100kHz 以上为高频。中频段内多采用晶闸管，目前国外晶闸管中频感应加热电源的最大容量已达几十兆瓦级别，国内也形成了200Hz~8kHz、功率为 100~3000kW 的生产能力。

上世纪 80 年代初，全控型器件的出现为感应加热电源的发展带来了契机。1993年西班牙报道了30~600kW/50~100kHz 的的感应加热电源，1994 年日本采用 IGBT器件研制了 1200kW/50kHz 的并联逆变感应加热电源。比利时 IndMctoElphiac 公司生产的电流型 MOSFET 感应加热电源可达 1MW/15~600kHz，目前国外最大容量已达几十兆瓦。国内湖南大学曾于 1986~1994 年成功开发出了100kW~1000kW 微机控制晶闸管中频电源系列产品。1996 年天津高频设备厂和天津大学联合研制开发了 75kW/200kHz 的 SIT 感应加热电源；浙江大学在 90 年代成功研制出应用于小型刀具表面热处理和飞机涡轮叶片的热应力考核试验的20kW/300kHz MOSFET 高频电源；1996 年，浙江大学 50kW/50kHz 的 IGBT 电流型并联逆变感应加热电源通过鉴定；2003 年，浙江大学 50kW/50kHz 的 IGBT 电流型并联逆变感应加热电源通过鉴定。

中频感应加热优点

加热速度快

氧化脱炭少由于中频感应加热的原理为电磁感应，其热量在工件内自身产生，由于该加热方式升温速度快，所以氧化极少，加热效率高，工艺重复性好。

加热均匀

温控精度高感应加热易实现加热均匀，芯表温差小的要求。应用温控系统可实现对温度的精确控制。低耗能、无污染感应加热与其它加热方式相比，加热效率高、能耗低、无污染；各项指标均可满足用户要求。透热条件下，由室温加热到1100℃的耗电量小于360。

感应加热的线圈与被加热物（金属）的关系就如同变压器的1次侧、2次侧线圈的关系一样。由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。在这个时候，根据钢材的种类和形状选择适当的交流电流的频率、功率、加热时间、保持时间、线圈的形状等，就能使各种钢材得到适当的品质特性。

中频感应加热表面淬火及中频感应加热设备

感应加热表面淬火，是使工件表面产生一定的感应电流，迅速加热零件表面，然后迅速淬火的一种金属热处理方法。感应加热设备，即对工件进行感应加热，以进行表面淬火的设备。

感应加热的原理：工件放到感应器内，感应器一般是同入中频或高频交流电 (500-300000Hz)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。　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。

IGBT中频感应加热的工作原理及设备

（1）IGBT中频电源是一种采用串联谐振式的中频感应熔炼炉，它的逆变器件为一种新型IGBT中频感应炉模块（绝缘栅双极型晶体管，德国生产），它主要用于熔炼普通碳素钢、合金钢、铸钢、有色金属。它具有熔化速度快、节能、高次谐波污染低等优点。

（2）IGBT中频电源为一种恒功率输出电源，加少量料即可达到满功率输出，并且始终保持不变，所以熔化速度快；因逆变部分采用串联谐振，且逆变电压高，所有IGBT中频比普通可控硅中频节能；IGBT中频采用调频调功，整流部分采用全桥整流，电感和电容滤波，且一直工作在500V，所以IGBT中频产生高次谐波小，对电网产生污染工低。

（3）节能型IGBT晶体管中频电源比传统可控硅中频电源可节能15%-25%,节能的主要原因有以下几下方面：

A、逆变电压高，电流小，线路损耗小，此部分可节能15%左右，节能型IGBT晶体管中频电源逆变电压为2800V，而传统可控硅中频电源逆变电压仅为750V，电流小了近4倍，台达伺服是台达公司独立研发的伺服驱动器、伺服电机或伺服马达、航空接台达伺服ASDA-A2系列插件的总称。线路损耗大大降低。

B、功率因数高，功率因数始终大于0.98，无功损耗小，此部分比可控硅中频电源节能3%-5%。由于节能型IGBT晶体管中频电源采用了半可控整流方式，整流部分不调可控硅导通角，所以整个工作过程功率因数始终大于0.98，无功率损耗小。

C、炉品热损失小，由于节能型IGBT晶体管中频电源比同等功率可控硅中频电源一炉可快15分钟左右，IGBT中频感应炉15分钟的时间内炉口损失的热量可占整个过程的3%，所以此部分比可控硅中频可节能3%左右。

（4）高次谐波干扰：高次谐波主要来自整流部分调压时可控硅产生的毛刺电压，会严重污染电网，导致其他设备无法正常工作，节能环保的中频感应炉制造原理解析。而节能型IGBT晶体管中频电源的整流部分采用半可控整流方式，直流电压始终工作在最高，不调导通角，所以它不会产生高次谐波，不会污染电网、变压器，开关不发热，不会干扰工厂内其他电子设备运行。

（5）恒功率输出：可控硅中频电源采用调压调功，而节能型IGBT晶体管中频电源采用调频调功，它不受炉料多少和炉衬厚薄的影响，尤其是生产不锈钢、铜、铝等不导磁物质时，更显示它的优越性，熔化速度快，炉料元素烧损少，降低铸造成本。

中频感应加热中的三种交流效应

表面效应——交变电流通过导体时，沿导体截面上的电流密度不是均匀分布的，最大电流密度出现在导体的表面层，且以指数函数向心部衰减。

邻近效应——相邻两导体通以交流电时，导体中的电流要重新分布，两者电流反向时，电流聚集在导体的内侧，电流同向时被排于导体外侧。

圆环效应——当交变电流通过圆形螺线管时，最大电流出现在线圈导体的内侧。

中频感应加热就是以上三种效应的综合应用，感应线圈本身表现为圆环效应，炉体表现为表面效应，两者之间是邻近效应。

中频感应加热设备

中频电源：由可控硅元件组成的交-直-交变频电源，将三相工频电变化成加工所需的特定频率的单相交流电，提供能源给加热炉体，将坯料加热。

谐振电容器柜：高频大容量的电热电容器，与加热炉体组成LC谐振回路，产生较强的磁场来加热炉体中的坯料。

加热用感应炉：由特制的电解铜（矩形）管绕制成特殊的形状，中频电源提供的中频电流通过时，产生所需的磁场，在坯料中产生相应的感应电流（涡流），使工件自身被涡流加热到要求的温度。

中频感应加热的应用

1. 锻造前、热挤压，热轧、蓝脆下料等坯料透热。