大功率商用电磁加热系统设计计算书.doc

. . PAGE word版本 大功率商用电磁加热系统设计报告 1 电磁加热系统原理与特点 当线圈流过高频交变电流时会在其周围产生交变磁场，如果该磁场靠近金属表面，则在金属中能感应出漩涡状的电流，简称涡流。涡流的大小与金属材料的导电性、导磁性、几何尺寸有关。涡流本身也会产生磁场，其强度取决于涡流的大小，其方向与线圈电流磁场相反，因而抵消部分原磁场，它与线圈磁场叠加后形成线圈的交流阻抗，导致线圈的电感量发生变化（减小）。这些涡流消耗电能，在感应加热装置中，利用涡流可对金属进行加热热。涡流的大小与金属的电阻率ρ、磁导率μ、厚度 h ，金属与线圈的距离δ，激励电流角频率ω等参数有关。 工业上把感应加热依频率分为四种：工频(50?Hz)；中频(0.5?Hz～8?kHz)；超音频(20Hz～60kHz)；高频(60Hz～600kHz)．工频交流电直接由配电变压器提供；中频交流电由三相电动机带动中频发电机或用可控硅逆变器产生；超音频和高频交流电由大功率电子管振荡器产生。 图1 涡流加热原理图 电磁感应加热如图1所示。高频电磁感应加热方法是利用电磁感应在被加热体内产生的涡流，对被加热体进行涡流加热。将被加热体看成无数个同心圆状的电流环网路，当通过被加热体线圈的磁通增加时，就产生使它减小的方向的感生电流；当通过线圈的磁通减小时，就产生使它增加的方向的感生电流，该电流称为涡流。涡流的计算公式为： （1） 式中：为以为半径的圆内交变磁通在加热体表面形成的涡流；为加热体金属的导电率； 为半径r圆内的磁通。 将被加热体和电磁感应加热线圈结合在一起，中问留有2～4 mm的间隙，电磁感应加热线圈通过高频交变电流，便相当于在电磁感应加热线圈和被加热体之间形成无数个小交变磁场，这些小磁场的磁通变化，在被加热体表面产生涡流，涡流的能量转化为热能，达到加热的目的。 感应加热是利用电流通过线圈产生交变磁场，当磁场内磁力线通过锅局部时，磁力线被切割而产生无数小涡流，使锅局部瞬间迅速发热。由于“集肤效应”，涡流分布高度集中于锅表面，而且随距表面的距离增大而急剧下降。设锅表面的感应电流强度为，沿感应透入深度方向，距离表面处的感应电流强度为，涡流的理论透入深度为 （2） 式中为电阻率()；为频率(Hz)；为导磁率()。实际应用中规定降至表面涡流强度的1／e处的深度为“电流透入深度”，经计算证明，86．5的热量是发生在深度为的薄层内。 钢铁材料在感应加热过程中，随温度的上升而增大，的大小在材料失去磁性前基本不变，而达到居里点温度(铁为770 C，中碳钢724 C)以上钢材就失去磁性， 急剧下降为真空导磁率，即。材料在失磁前的涡流透入深度称为“冷态的涡流透入深度”。而随着材料温度的上升，会导致增大和下降，使涡流分布平缓，透入深度增大。 考虑一块厚为，电阻率为，半径为的金属圆板，置于磁感应强度B、随时间交变的磁场中，为了计算热功率，沿着电流方向将金属圆板分割成若干个宽度为、周长为，厚度为的金属薄筒，任意一个薄筒的感生电动势为 （3） 薄简的电阻为 （4） 所以薄筒的瞬时热功率为 （5） 整块金属圆板的涡流的瞬时热功率为 （6） 设，则， 涡流在一个周期内的平均热功率为 （7） 由上式可见，若要得到较大的热功率输出，必须选择高频交变的电磁场，产生较大的磁感应强度，且金属的电阻率要较小。 由于感应器的工作电流很大且频率很高，在设计和应用时，必须考虑电磁感应的三个基本效应：集肤效应、邻近效应和圆环效应。 集肤效应—— 当变化的电流在导体中流动时，它周围的磁场也随着变化。这变化的磁场也要在导体中产生感应电流，因而影响导体中电流的分布，使电流趋向导体表面。也就是说，愈靠近导体的表面，电流的密度就越大。频率越高，集肤效应就越明显。因此，在高频状态下，常采用中空导线，或用若干股并列的细导线作为输出馈线。 邻近效应 ——就是导体的邻近还有其他载有变化电流的导体时，每一导体中的电流将要重新分布，和孤立时不一样，其分布是不均匀的。不均匀的程度，则视导体的形状、尺寸、相对位置以及交变电流的频率而定。 圆环效应 ——是指环形导体的电流分布有集中于内表面的趋势，而且其程度也受频率的影响。频率越高，圆环效应就越明显。 采用感应加热原理设计的高频电磁加热系统具有着突出的优点。它是利用电磁感应产