西部仁者 / 科技知识 / 功率感应加热的原理分析

分享

   

功率感应加热的原理分析

2015-09-23  西部仁者
 
电磁感应加热器(Electromagnetic induction heater):基于电磁感应加热原理制造出的加热控制器。
电磁感应加热来源于法拉第发现的电磁感应现象,即交变的电流在导体中产生感应电流,从而导致导体发热。自从发现电流通过导线发生热效应后,世界上便出现了很多从事研究制造电热器的发明家。1890年,瑞典技术人员发明了第一台感应熔炼炉——开槽式有芯炉;1893年,美国出现了电熨斗雏形;1909年,电灶的出现实现了从电能转化为热能的过程;1916年,美国人发明了闭槽有芯炉,电磁感应技术逐渐进入实用化阶段。
中文名
电磁感应加热器
外文名
Electromagnetic induction heater
时    间
1890年
来    源
电磁感应现象

加热原理编辑

电磁感应加热的原理是感应加热电源产生的交变电流通过感应器(即线圈)产生交变磁场,导磁性物体置于其中切割交变磁力线,从而在物体内部产生交变的电流(即涡流),涡流使物体内部的原子高速无规则运动,原子互相碰撞、摩擦而产生热能,从而起到加热物品的效果。即是通过把电能转化为磁能,使被加热钢体感应到磁能而发热的一种加热方式。这种方式它从根本上解决了电热片,电热圈等电阻式通过热传导方式加热的效率低下问题。


 


 

 
 
 
 
节电原理

传统的加热行业,普遍采用是的电阻丝和石英加热方式,而这种传统的加热方式,其热效率比较低,电阻丝和石英主要是靠通电后,自身发热然后再把热量传递到料筒上,从而起到加热物品的效果,这种加热效果的热量利用率最高只有50%左右,另外的50%左右的热量都散发到空气中,所有传统的电阻丝加热方式的电能损失高达50%以上。而通过电磁感应加热,是通过电流产生磁场,使得铁质金属管道自身发热,再加上隔热材质,防止管道热量的散发,热利用率高达95%以上,理论上间节电效果可达到50%以上,但考虑到不同质量的电磁感应加热控制器的能量转换效率是不太相同的,以及不同的生产设备和环境,所有电磁加热节能的效果一般至少能够达到30%,最高能够达到70%。

优势

1.高效节能、快速加热采用内热加热方式,即通过电磁感应使料筒内部金属管自身发热,平均预热时间比电阻圈加热方式缩短2/3,同时热效率高达95% 以上,节电效果可达30%-70%。
2.降低生产成本、提高产品质量加热部分采用特种电缆结构,本身不会产生热量,可承受500℃以上的温度,使用寿命可达5年以上,后期基本无维护费用。因电磁加热是通过电磁感应使料筒自动发热,热利用率高达95% 以上,能够充分、均匀的给原料加热,从而提高产品质量
3.运行可靠、可控可调主机采用目前最先进的工业用机板,微电子控制,多路智能闭环系统和完善的保护功能,有效避免了主机老化现象,可充分保证设备长期安全、稳定地运行。
4.改善工作环境设备表面常温,人体可触摸,大大改善了生产现场的工作环境,有力提高工人生产积极性,减少了传统的降温设施费用。本着“以人为本”的理念,创造更加绿色、节能、安全、舒适的生产环境。

技术性能编辑

(一) 工作条件1、 电源电压交流380(V)
2、 工作频率5~40K赫兹(KHz)
3、 功率2-200KVA
(二) 工作模式
1、 温度控制模式。
2、 时间控制模式。
(三)优势
具有软启动的功能,减小了启动时对器件的冲击,延长使用寿命;断电时采用软停机方式,实现自动去掉工件剩磁的功能。

注意事项编辑

1、 只能在380V电压下使用。
2、 严禁空载启动加热装置。
3、 产品需定期保养。
4、 易受磁场影响的物品应远离。如,心脏起博器,助听器、磁带,磁卡等物品,安全距离为2米。

是否有害编辑

电磁加热器存在辐射,但它的辐射绝对对人体无害,电磁感应加热器的辐射量是手机的1/60,和40瓦的日光灯差不多,根本无害;再说医院里不用电磁理疗治病救人呢,所以说有磁力线辐射并不就都是对人体有害。您手机都敢用,还担心电磁加热器吗?
电磁加热感应节能设备就加热一直受到是否辐射危害人体健康的疑问。电磁感应加热采用磁场感应电流(又称为涡流)的加热原理,它是通过电子线路板组成部分产生交变磁场、当线圈绕在含铁质料筒表面时,料筒即切割交变磁力线而在料筒表面金属部分产生交变的电流(即涡流),涡流使料筒铁分子高速无规则运动,分子互相碰撞、摩擦而产生热能,使用时会产生一定的辐射。那么,什么频率范围的电磁波对人有害呢?
单位换算:1MHz=1000KHZ=1000 000Hz , 电磁加热机芯频率为:20~40KHz IEEE(国际电子电机工程协会)所定对的范围:
1、磁场从0.1MHz左右到300MHz左右的频率范围内,所产生的磁场,其磁场强度超过3毫高斯,即对人体有害,90MHz 至300MHz的磁场伤害最大,而愈向上愈接近0.1MHz的磁场 伤害愈小,到0.1MHz以下磁场的伤害问题,就更加微不足道了。当然在有害范围其强度在3毫高斯以下,一般而言被视为安全范围。
2、电场从1.4MHz左右~300MHz的频率范围内所产生的电场,其电场强度超过1mv/m,即对人体有害,强度愈强伤害愈大,而若强度一样,则27MHz左右至300MHz的电场伤害最大,到1.4MHz以下电场的伤害问题,也一样微不足道。又电场与磁场单独存在时,不会像电磁波有向外放射行进的现像,只在其强度范围内有摇摆的波动而已。电
3、电磁波则90MHz到300MHz的电磁波伤害最大,300MHz以上愈靠近12000MHz,其伤害程度愈小,故由此得知,大哥大之频率900MH及1800MHz,皆在有害范围内。至于工业加热电磁机芯,频率为20~40KHz,属于正常音频信号(20~40kHz范围),对人体无损。所以请广大用户放心使用电磁加热器。
==========
一.感应加热的要求 
感应加热需要一个较强的高频交变磁场,穿过被加热的金属体。对于小型的感应加热,例如加热一个M10的金属螺母,如果传递到金属螺母的能量有100W,则能够将螺母迅速加热到发红,具体计算可以查一下铁的比热容为0.4焦耳/克*℃。将铁加热到1000℃,只需要400焦耳能量,如果有100W的能量传递到10克重的铁螺母,则只需要40秒的时间。(未计算螺母本身对外的热量散失) 
100W虽然不算是太大的一个功率,但是要通过空气磁场去传递这样的一个功率,则需要很大的电流来产生这样大的高频磁场,这样也就要求感应线圈里的电流超过数百安培。显然这样大的电流,如果仅仅是简单地用功率管驱动线圈来提供,能效将是非常的低。 

二.谐振-产生高频大电流的另一种方法 
就像玩秋千一样,如果我们每次都增加一点能量到秋千里,秋千就能荡到很高的地方。同理,如果在一个LC谐振电路里面,不断地添加能量,就能让LC电路内产生强大的高频电流。而每次补充的电流却不是很大。 

如上图所示,由电容和电感(感应线圈)构成的LC振荡电路,在这个电路内部,电容和电感互相交替能量,如果没有外界能量补充,则振荡将逐渐衰减。如果一直有能量补充,则振荡能量会越来越大,直到能量的补充和能量的消耗相等。 

如果我们每次都在适当的时刻,向这个系统补充能量,则LC振荡回路的能量会越来越大,这样作为电感的感应线圈里的电流就会不断升高到数百安培。例如电容两端放完电时(电容两端电压为零),电感开始向电容充电,从外界另外补充能量向电容充电,则最后电感放完电后,电容的能量达到最大,等于外界补充的能量再加上电感先前储存的能量。(未计较过程的损耗) 

三.LC谐振回路内的电压峰值和电流峰值 
前面谈到LC谐振回路内的能量会不断上升,当上升到一定程度,则必须加以控制,否则电容两端电压过高,会烧穿控制电路的功率管。 
假设我们打算控制LC谐振回路的电压峰值800V(需要选择耐压很高的功率管才能承受),则谐振回路的能量为: 
                                 
从这个公式可以看出,谐振回路的电流峰值与谐振电容有很大关系。例如我们的谐振电容为10μF,谐振电压峰值控制在600V,感应线圈的电感值为1.2μH,则谐振回路的电流峰值为1732A。很惊人的一个电流值,不是吗?现在你知道应该怎样处理谐振回路的导线和散热了吧。 

四.感应能量的传递 
虽然谐振回路的电压峰值和电流峰值非常大,上面的例子是600V和1732A。但是这些能量(能量值为3.6J)只是在电容和电感之间互相交替而已,实际到达被加热的零件的能量并不多。或者说,在这个感应加热过程中,需要1732A的电流来传递100W的能量,而未被传递的能量则在谐振回路内振荡,以保持回路中有足够强的电流。没有这么强的电流就没有足够强的磁场,也就传递不了足够多的能量。 

五.什么时候补充能量 
在振荡的任何时刻都可以向谐振回路补充能量,但是我们通常都是通过电流或者电压方式向谐振回路补充能量,加载到回路的电流或者电压必须是使回路能量增加而非减少,并且每次都是使回路能量增加。所以要求用一个和LC谐振频率相等的脉冲电压或者脉冲电流向回路提供能量。

六.降低谐振回路的损耗 
谐振回路的损耗,主要来源于: 
1.       电感和电容向外的电场辐射和磁场辐射。 
2.       回路导线电流损耗 
3.       回路导线涡流损耗 
七.谐振回路的散热 (未完成) 

八.谐振频率的变化和解决方案 
最简单的方法是直接让谐振线圈作为感应加热线圈,但是这样同样带来谐振频率变化的问题。如果被加热的零件是导磁体,那么这个导磁体的大小和居里温度都会使谐振频率变化。 
解决方案1:自动频率调节。即检测到谐振频率变化时,将驱动频率调节到谐振频率,常见的有使用锁相环或者用反馈感应形成自激。 

解决方案2:谐振线圈不是加热线圈。这种方式使得固定频率驱动能够稳定进行。如下图: 

 谐振是由电容和输出变压器的初级构成,而次级输出的电流则进行感应加热。这样,感应加热线圈里面的被加热零件,无论是否导磁,都不会对谐振频率有太大影响。

(天工精仪 金闻瑞 原创文章,转载请注明本文链接)
=======

感应加热电源是一种低能耗、高效率的金属材料加热电源模块,目前已经在全球40余个国家得到了广泛的工业应用。本文将会通过对感应电源的电路结构分析,进行传统感应电源的工作原理介绍,以便于工程师在对其工作原理进行研究的基础上进行专业技术革新。

通常情况下,传统的感应加热电源在主电路结构方面,主要由以下四个部分来组成的:不控整流、大电容储能滤波、逆变电路和谐振负载。

在工作的过程中,加热电源通过不可控整流的方式将交流电转变为直流电,然后通过大电容滤波将比较稳定的直流电转化成为逆变电路的供电电源,岁后在逆变侧部分实现系统的逆变输出和功率调节。下图为传统型号的感应加热电源电路结构图。

图片2
图为传统的感应加热电源电路结构

从图中我们可以看到,整个电源的加热系统均有DSP数字芯片进行控制。电压电流检测装置对直流母线的电压值和电流值进行检测,随后将数值变送给DSP处理芯片,以快速实现功率反馈。整个负载检测流程包括温度检测和频率跟踪、通过将红外线传感器检测到的温度值变送给DSP,同步实现快速反馈。随后,处理器可以通过检测负载的谐振电流和电压信号反馈给DSP以实现频率跟踪。

当DSP芯片接收到相应的电流电压信号后,将会在内部对电压、电流等反馈信号分别进行A/D变换、保持,并通过数字乘法运算求出实际输出功率与数字给定功率比较,对偏差进行数字PID控制。通过这一数字控制的方式,感应加热电源可以实现电源输出功率的闭环控制和DPLL频率跟踪,故障检测保护电路对缺水、过热、过压、过流等故障实时监控,由DSP故障处理子程序比较判断后,以中断方式处理各类故障、并报警显示。

然而,传统的感应加热电源由于大多型号采用的都是大电容无源滤波模式,所以很容易造成输入电流畸变并对电网系统造成谐波污染,因此会导致输入功率因数降低。同时,这种方式也不利于节约用电成本。因此,目前市面上已经开始出现了具有DSP参数校正功能的新型加热电源模块。


    本站是提供个人知识管理的网络存储空间,所有内容均由用户发布,不代表本站观点。请注意甄别内容中的联系方式、诱导购买等信息,谨防诈骗。如发现有害或侵权内容,请点击一键举报。

    0条评论

    发表

    请遵守用户 评论公约

    类似文章 更多
    喜欢该文的人也喜欢 更多

    ×
    ×

    ¥.00

    微信或支付宝扫码支付:

    开通即同意《个图VIP服务协议》

    全部>>