感应加热应用基础

文/陈勇·杭州富芝科技有限公司

目前，感应加热已经成为锻造加热的一种主要加热方式。感应加热基于法拉第发现的电磁感应现象，在交变磁场中放置的导体因内部产生感应电流而发热。自1890年瑞典人发明了第一台感应熔炼炉以来，感应加热技术开始进入了实用阶段，尤其在1957年美国通用发明了晶闸管，1966年瑞士和西德首次利用晶闸管研制出静止变频器后，感应加热技术的应用开启了全新的篇章。

我国感应加热技术应用始于20世纪50年代，率先在汽车和拖拉机零件感应热处理领域开展起来，但当时多数采用变频发电机组或电子管高频电源作为感应加热的电源。1970年初，浙江大学汪楢生老师，现中国工程院院士，研制成功了我国第一台大功率晶闸管并联逆变式中频感应加热电源，我国也开始了感应加热技术在感应熔炼，弯管加热和锻造加热领域应用的大面积推广。杭州开关厂1973开始与浙江大学汪楢生院士团队合作生产可控硅中频电源；1985年经过国家批准，引进西德AEG-ELOTHERM公司成套感应加热设备制造技术，许可生产德国AEGELOTHERM公司的中频感应加热机，这也真正拉开了我国锻造领域感应加热应用的序幕。

感应加热原理

感应加热的原理如图1所示，在一个线圈中通过交流电流I1，就会产生相同频率的交变磁通φ，交变磁通φ又会在线圈中的坯料中产生感应电势e，因坯料是金属导体，故会在坯料内部引起电流I2，I2在坯料内流动导致坯料发热。感应加热的能量是通过电磁感应传给金属工件的，金属工件本身就是一个发热体，相比其他需要通过热传导或者热辐射的加热方式，感应加热的加热速度更快，效率更高，更容易实现自动化。

图1 感应加热原理

感应加热的理论基础就是电磁场理论。众所周知，在感应加热应用中有三个效应——集肤效应、邻近效应和圆环效应。尤其是集肤效应的存在，导致在工件内部产生的感应电流都集中在工件表面，由此引出了“电流透入深度”这一概念，见公式1。

其中：f 为频率(单位为Hz)

ρ为材料的电阻系数(单位为Ω×m)

μ0为真空导磁率，4π×10-7H/m

μr为材料的相对导磁率(无量纲)

注意，材料的相对导磁率和电阻系数都是会随着温度的改变而改变的。对于我们通常所用的45#钢来说，电阻系数随温度升高变大，相对导磁率在500℃以下基本没有变化，随温度升高，超过居里点后，电阻率的变化也趋于平稳了，相对导磁率迅速下降到1左右。

由于，我们大部分的锻造加热要求温度都超过了800℃，所以，这个公式可以简化为，Δ=503(ρ/ f)1/2(单位为m)。表1是45#钢在不同温度下电阻率的数据。

表1 45#钢在不同温度下电阻率的数据

为此，我们可以计算出在不同加热设备频率下45#钢的透入深度，见表2。感应加热设备的频率是参照加热坯料直径决定的，通常以坯料直径为透入深度的3～5倍比较合适，因此，我们可以推算出表3适宜加热的坯料直径。以上数据仅作为感应加热应用情况的参考。在实际应用中，设备制造厂家需要根据设备的通用性做一些调整。

表2 不同加热设备频率下45#钢的透入深度

表3 适宜加热的坯料直径

感应加热的效率

感应加热方式与其他燃气加热和煤炉加热，以及电阻炉加热相比，感应加热过程中工件本身就是发热体，不需要通过热场辐射等气氛加热，加热效率更高，但因为感应加热电源的频率转换和中频电力传输，这些可以称为感应加热的电效率；电磁感应过程中消耗的能量和在坯料升温时，在坯料表面热量向心部传导的过程中也会对外部散热，产生热损，导致能量损失，这些可以称为感应加热的热效率。感应加热的效率，是由电效率和热效率合并而成的，总的效率基本在50%～60%左右，相比于燃气或燃煤加热炉20%～30%的效率，感应加热的效率提高了很多。尤其是在当今社会，强调绿色经济、低碳经济，感应加热的应用将会更加广泛。

表4是一些主要材料的比热容数据，从表中我们也可以发现，导磁材料在居里点附近比热容是大幅增加的。为此，我们可以根据表中提供的数据计算出，通常所用的45#钢1kg坯料，一小时加热到1150℃，所需要的能量是725kJ，相当于0.2kW·h，因此，采用感应加热设备加热45#钢1kg坯料在进线侧的能耗在0.335kW·h左右，受坯料加热方式、坯料传送方式和设备制造厂家技术水平的影响，向上浮动10%都属于正常，但是对于需要中间采用多级辊道传送的大功率设备，或加热φ120mm以上的坯料，或加热温度在1200℃以上时，线圈之间的滚轮的热损和热传导时间延长导致的热损都会使能量转换效率降低，此时，进线侧的能耗可能会超过0.4kW·h/kg。

表4 常用钢材的比热容(单位：kJ/kg·℃)

参考以上数据，我们就可以根据每小时需要加热的坯料重量估算出设备的实际使用功率，并依此确定设备的额定功率。

并联逆变电路与串联逆变电路的优缺点

目前，我国感应加热电源线路根据感应线圈与补偿电容的连接方式分为并联逆变电路和串联逆变电路两种。国内市场对并联逆变电路好还是串联逆变电路好，争论得不亦乐乎，但争论的过程中，有的厂家往往混淆了一些基本概念，诱导消费者。实际上电网的功率因数和加热电源的效率是两个完全不同的概念，电网的功率因数是由进线侧交流电流与交流电压的相位差造成的。感应加热电效率不仅仅包括了电网的功率因数，即感应加热电源整流效率，也包括了感应加热电源的逆变效率和电力传输效率。我们将通过表5来详细介绍这两种线路的优缺点。

表5 这两种线路的优缺点

通过比较，我们可以清楚地知道：并联逆变电路和串联逆变电路是得到中频感应电流的两种不同途径，各有优缺点。对于使用客户来说，实际上更应该关心的是，加热产品的在线吨能耗(注意，这里不是生产线的综合能耗)，尤其是用于锻造加热和铸造的用户，因为，能耗成本目前在这些感应加热用户中是排在第一位的；而不是被设备制造商诱导，纠结于并联电路好还是串联电路好的困惑中。当然，设备运行的稳定性及服务的及时性也是非常关键的。

常用电力电子器件的性能

感应加热电源技术与功率半导体器件，又称电力电子器件制造技术互依互存，共同发展。半个多世纪以来，也经历了从真空闸流管、真空三极管到半导体二极管、三极管、晶闸管、功率场效应晶体管(MOSFET)、静电感应晶体管(SIT)、绝缘栅双极性晶体管(IGBT)、栅控晶闸管(MCT)等不同时代的电力电子器件。

目前，在感应加热电源中应用的电力电子器件主要是晶闸管、功率场效应管(MOSFET)和绝缘栅双极性晶体管(IGBT)。下面我们还是通过表6来介绍这三种不同的电力电子器件的特点。

表6 三种不同的电力电子器件的特点

现代电力电子器件正朝着高频、大电流、高电压、栅控可关断方向发展。现代电力电子器件的发展促进了感应加热电源技术的升级换代，同样电源技术也正在朝着大容量、模块化、高稳定度、高效率，并能有效地抑制电网谐波和环境噪声污染的方向发展。近几年一种新型的感应加热电源-LLC电源，在欧洲已经大面积使用，但在国内的应用才刚刚兴起，今后我们将对这种加热电源技术进行单独介绍。

结束语

感应加热作为非接触加热方式，有着效率高，对环境影响小，易于实现自动化的优势，有着极大的发展前景，完全符合国家碳发展的产业政策。随着感应加热应用领域的拓宽，电源技术的发展，感应加热应用的未来是光明的。各种电源技术都是实现感应加热的不同路径，需要根据应用场合的不同进行取舍。关键还是看能源效率，是否能让能源创造最大价值。

不同的电力电子器件都有优缺点，晶闸管、IGBT和MOSFET，都需要根据用户的使用要求进行选择，目前还没有一种器件可以完全替代另一种器件，晶闸管在中低频(3000Hz以下)，高电压和大电流场合仍然有着巨大的优势，而且它的制造工艺成熟，是目前国内完全可以独立生产的器件，目前大电流的IGBT和MOSFET几乎还是完全依赖进口，而且通态损耗的增加掩盖了在中低频领域因为可控关断带来的优势。