【正文】 和表面熱處理等行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。在鑄造方面，正在迅速發(fā)展雙聯(lián)熔煉工藝，即利用中頻爐保溫改性，進行球墨鐵或合金鋼的精密澆鑄；在鍛造方面，利用感應(yīng)加熱實現(xiàn)快速透熱熱鍛，其材料利用率可達 85%，鍛件表面光潔度可小于 50μ m；在焊接，淬火方面，國外一方面致力于開發(fā)大功率全 固態(tài)高頻電源，一方面致力于開發(fā)高度自動化的熱處理成套處理系統(tǒng)。目前，我國較好的鑄造業(yè)廢品率也在 6%～ 15%間，而一般鑄造廠的廢品率高達 30%。這項改造工程不但涉及到保溫爐的設(shè)計制造，雙聯(lián)熔煉工藝的最佳化控制系統(tǒng)設(shè)計，還涉及到大功率中頻感應(yīng)加熱電源等。 近年來在某些高新技術(shù)的研究開發(fā)中也使用了感應(yīng)加熱。 感應(yīng)加熱電源的發(fā)展階段 （ 1）在 50 年代前，感應(yīng)加熱電源主要有 :工頻感應(yīng)熔煉爐，電磁倍頻器，中頻發(fā)電機組和電子管振蕩器式高頻電源。硅晶閘管的出現(xiàn)推動了感應(yīng)加熱電源及應(yīng)用的飛速發(fā)展。在高頻范圍內(nèi)，由于晶閘管本身開關(guān)特性等參數(shù)的限制，給研制該頻段的電源帶來了很大的技術(shù)難度，它必須通過改變電路拓撲結(jié)構(gòu)才有可能實現(xiàn)。 （ 3） 1983 年 IGBT 的問世進一步推動了感應(yīng)加熱電源的發(fā)展。 （ 4）在超高頻 (100kHz 以上 )頻段，長期以來由電子管振蕩式變換器產(chǎn)生。 感應(yīng)加熱電源發(fā)展的主要因素 （ 1）感應(yīng)加熱電源的發(fā)展與電力電子器件的發(fā)展密切相關(guān)，而電力電子器件的發(fā)展又是與半導體微機集成加工技術(shù)與功率半導體技術(shù)分不開的。 （ 2）單片機、微型計算機技術(shù)和集成芯片技術(shù)的發(fā)展使得對感應(yīng)加熱電源的復雜控制成為可能，體積和重量明顯減小，功率因素提高了，功率控制調(diào)節(jié)方便、準確。同時，一些相關(guān)的技術(shù)如磁通集中器，感應(yīng)線圈的材料和設(shè)計，絕緣技術(shù)，故障診斷技術(shù)和遠程控制、智能化技術(shù)等等也都影響其發(fā)展。 感應(yīng)加熱電源的發(fā)展趨勢 （ 1）從電路的角度，感應(yīng)加熱電源的大容量化技術(shù)分兩類 :一是器件的串并聯(lián)；二是多臺電源的串并聯(lián)。多臺電源的串并聯(lián)技術(shù)是在器件串并聯(lián)技術(shù)基礎(chǔ)上進一步大容量化的有效手段，借助于可靠的電源串并聯(lián)技術(shù)，在單機容量適當?shù)那闆r下，可簡單地通過串并聯(lián)運行方式得到大容量裝置，每臺單機只是裝置的一個單元 (或一個模塊 )。當兩電壓源 并聯(lián)時，相互間的幅值，相位和頻率不同或波動時將導致很大的環(huán)流，以致逆變器件的電流產(chǎn)生嚴重不均。 （ 2）目前，感應(yīng)加熱電源在中頻段主要采用晶閘管，超音頻段主要是 IGBT，而高頻段，隨著 MOSFET 和 IGBT 性能不斷改進， SIT 將失去存在價值。因此，實現(xiàn)感應(yīng) 6 加熱電源高頻化仍有許多應(yīng)用基礎(chǔ)技術(shù)需進一步探討。對焊接，表面熱處理等負載，一般采用匹配變壓器連接電源和負載感應(yīng)器，對高頻，超音頻電源用的匹配變壓器要求漏抗很小，如何實現(xiàn)匹配變壓器的效率，從磁性材料選擇到繞組的設(shè)計已成為重要課題。 （ 4）隨著感應(yīng)熱處理生產(chǎn)線自動化程度及對電源高可靠性要求提高，感應(yīng)加熱電源正向智能化控制方向發(fā)展。 （ 5）由于感應(yīng)加熱用電源一般功率都很大，目前對它的功率因數(shù)，諧波污染指標還沒有具體要求。 （ 6）當今高新技術(shù)飛速發(fā)展，新材料、新工藝不斷涌現(xiàn)，感應(yīng)加熱是一個重要的研發(fā)和加工手段?？梢钥隙ǖ恼f，隨著科學技術(shù)的發(fā)展，感應(yīng)加熱電源在高新技術(shù)領(lǐng)域會有更廣泛的應(yīng)用。如何設(shè)計制造大功率超高頻、高性能的感應(yīng)加熱電源，是電力電子科技工作者的重要課題。根據(jù)不同的加熱工藝要求，感應(yīng)加熱采用 的電源的頻率有工頻（ 50～ 60Hz）、中頻 (60～ 10000Hz)和高頻 (高于 10000Hz)。 感應(yīng)加熱是利用交流電建立交變磁場產(chǎn)生渦流對金屬工件進行感應(yīng)加熱的。若線圈 A中通以交流電流 i1，則在線圈 A內(nèi)產(chǎn)生隨時間變化的磁場，置于交變磁場中的被加熱工件 B 要產(chǎn)生感應(yīng)電動勢 e2，形成渦流 i2，這些渦 流使金屬工件發(fā)熱，消耗電能。 B A 圖 1 感應(yīng)加熱基本原理 由電磁感應(yīng)定律可知，感應(yīng)電動勢 2e 為： 2 de dt??? （ 21） 設(shè)磁通 ? 對時間 t 按正弦規(guī)律變化，即 ? ＝ M? sint? 則 2e ＝ － M? cos t?? ＝ M? sin( 90 )t??? ＝ 2ME sin( 90 )t? ? （ 22） 其中感應(yīng)電動勢的幅值為： 2ME ＝ M?? ＝ 2 mf?? 為了要使金屬工件加熱到一定的溫度，必須要求金屬工件內(nèi)有足夠大的渦流，亦即要求金屬工件內(nèi)有較大的電動勢 2e ，從式（ 22）可知，要增大 2e 有如下兩種途徑： （ 1）增大線圈 A中的電流 1i 。 （ 2）增大線圈中電流 1i 的頻率。近代感應(yīng)加熱廣泛采用中頻及高頻電源的原因就在于此，也是成為感應(yīng)加熱電源研究的方向和追求的必然。一般由整流器、濾波器、逆變器及一些控制和保護電路組成。整流電路的實質(zhì)就是把交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能的電路。利用二極管的單向?qū)щ娦裕挥邪雮€周期內(nèi)有電流流過負載，另半個周期被二管所阻，沒有電流。只適用于小電流整流電路。中間抽頭接負載一端，另兩個端子各串聯(lián)一個二極管后接負載的另一端?，F(xiàn)在裝有 4個整流二極管的橋式整流器能夠很便宜買到，而且變壓器的使用效率也高，所以幾乎都為橋式整流電路。三相全波整流也只有橋式整流。 三相整流 器 濾波器 逆變器 負載 整流器控制電路 逆變器控制電路 9 三相橋式全控整流電路 整流電路采用三相全控橋式整流電路，其作用為將從三相電網(wǎng)輸入的 50Hz電壓整流成脈動的直流電壓。 圖 3 三相橋式全控整流電路 晶閘管 AB、 BC、 CA 接成共陰極，晶閘管 AC、 BA、 CB 接成共陽極，并與變壓器和負荷分別構(gòu)成兩個三相半波可控整流電路，兩個三相半波可控整流電路串聯(lián)就構(gòu)成三相橋式全控整流電路，如圖 4所示。 當 ? =0 時，對于共陰極組的晶閘管依次觸發(fā)陰極電位最高的晶閘管，對于陰極組的晶閘管組依次觸發(fā)陰極電位最低的晶閘管，使晶閘管導通。 圖 5 不同 ? 的輸出波形 在 AB 段內(nèi)， a 相電壓最高，電流從變壓器 a相繞組流出，經(jīng)過 AB 負荷和 BA（在此段內(nèi)， b相電壓最低，共陽極組的晶閘管 BA 正處于導通狀態(tài)），回到變壓器 b 相繞組。負荷電壓 Ud=Uab。晶閘管 BA承受反向電壓而關(guān)斷，所以電流回到 c 相繞組。負荷電壓 Ud=Uac。 在 BC 段內(nèi)， b 相電壓最高，晶閘管 BC 因得到觸發(fā)脈沖而導通，由于 b點電位高于 a 點電位，所以晶閘管 AB 因承受反向電壓而關(guān)斷。在這一段內(nèi)， c相電壓仍然最低，晶閘管 CB繼續(xù)導通。 11 在 BA 段內(nèi)， BC 和 AC導通， Ud=Uba。 在 CB 段內(nèi)， CA 和 BA導通， Ud=Ucb。 整流電路的參數(shù)設(shè)計 (1)二極管電壓額定值 RRMU ；二極管的耐壓可按式 (32)確定，根據(jù)電網(wǎng)電壓，考慮到其峰值、電壓波動等因素。 2 1. 3R R M A CVU ?? ? ? ? （ 32） 由于交流側(cè)電壓 ACU 為 380V，代入上式，可得： 2 1 .3 3 8 0 2 1 .3 1 .5 1 0 4 7 .7 7 4R R M A CV U V?? ? ? ? ? ? ? ? ? （ 33） (2)確定電流額定值 I：整流二極管的電流額定值是根據(jù)其結(jié)溫而確定的，可按式 (34)來確定： 22RI t I t?? （ 34） 式中： RI —— 沖擊電流值； ? —— 安全系數(shù)，取 ? =2； 將上式變形為： 2 1 .3 2 1 1 5 .8 3 1 .3 2 1 3RnI I I?? ? ? ? ? ? ? ? ?A （ 35） 需要說明的是，由于有 CHV 的存在，在開始啟動時，可以使其占空比很小，這樣幾乎沒有沖擊電流， 所以實際上二極管的耐流可以更小。由于頻率較高，所以要選擇 GTR、 MOSFET、 IGBT 等工作頻率較高的自關(guān)斷器件。周期為20ms，所以每個波動的時間為 20/6? 4ms，根據(jù)公式 (3