感應加熱應用基礎

文/陳勇·杭州富芝科技有限公司

目前，感應加熱已經成為鍛造加熱的一種主要加熱方式。感應加熱基于法拉第發現的電磁感應現象，在交變磁場中放置的導體因內部產生感應電流而發熱。自1890年瑞典人發明了第一臺感應熔煉爐以來，感應加熱技術開始進入了實用階段，尤其在1957年美國通用發明了晶閘管，1966年瑞士和西德首次利用晶閘管研制出靜止變頻器后，感應加熱技術的應用開啟了全新的篇章。

我國感應加熱技術應用始于20世紀50年代，率先在汽車和拖拉機零件感應熱處理領域開展起來，但當時多數采用變頻發電機組或電子管高頻電源作為感應加熱的電源。1970年初，浙江大學汪楢生老師，現中國工程院院士，研制成功了我國第一臺大功率晶閘管并聯逆變式中頻感應加熱電源，我國也開始了感應加熱技術在感應熔煉，彎管加熱和鍛造加熱領域應用的大面積推廣。杭州開關廠1973開始與浙江大學汪楢生院士團隊合作生產可控硅中頻電源；1985年經過國家批準，引進西德AEG-ELOTHERM公司成套感應加熱設備制造技術，許可生產德國AEGELOTHERM公司的中頻感應加熱機，這也真正拉開了我國鍛造領域感應加熱應用的序幕。

感應加熱原理

感應加熱的原理如圖1所示，在一個線圈中通過交流電流I1，就會產生相同頻率的交變磁通φ，交變磁通φ又會在線圈中的坯料中產生感應電勢e，因坯料是金屬導體，故會在坯料內部引起電流I2，I2在坯料內流動導致坯料發熱。感應加熱的能量是通過電磁感應傳給金屬工件的，金屬工件本身就是一個發熱體，相比其他需要通過熱傳導或者熱輻射的加熱方式，感應加熱的加熱速度更快，效率更高，更容易實現自動化。

圖1 感應加熱原理

感應加熱的理論基礎就是電磁場理論。眾所周知，在感應加熱應用中有三個效應——集膚效應、鄰近效應和圓環效應。尤其是集膚效應的存在，導致在工件內部產生的感應電流都集中在工件表面，由此引出了“電流透入深度”這一概念，見公式1。

其中：f 為頻率(單位為Hz)

ρ為材料的電阻系數(單位為Ω×m)

μ0為真空導磁率，4π×10-7H/m

μr為材料的相對導磁率(無量綱)

注意，材料的相對導磁率和電阻系數都是會隨著溫度的改變而改變的。對于我們通常所用的45#鋼來說，電阻系數隨溫度升高變大，相對導磁率在500℃以下基本沒有變化，隨溫度升高，超過居里點后，電阻率的變化也趨于平穩了，相對導磁率迅速下降到1左右。

由于，我們大部分的鍛造加熱要求溫度都超過了800℃，所以，這個公式可以簡化為，Δ=503(ρ/ f)1/2(單位為m)。表1是45#鋼在不同溫度下電阻率的數據。

表1 45#鋼在不同溫度下電阻率的數據

為此，我們可以計算出在不同加熱設備頻率下45#鋼的透入深度，見表2。感應加熱設備的頻率是參照加熱坯料直徑決定的，通常以坯料直徑為透入深度的3～5倍比較合適，因此，我們可以推算出表3適宜加熱的坯料直徑。以上數據僅作為感應加熱應用情況的參考。在實際應用中，設備制造廠家需要根據設備的通用性做一些調整。

表2 不同加熱設備頻率下45#鋼的透入深度

表3 適宜加熱的坯料直徑

感應加熱的效率

感應加熱方式與其他燃氣加熱和煤爐加熱，以及電阻爐加熱相比，感應加熱過程中工件本身就是發熱體，不需要通過熱場輻射等氣氛加熱，加熱效率更高，但因為感應加熱電源的頻率轉換和中頻電力傳輸，這些可以稱為感應加熱的電效率；電磁感應過程中消耗的能量和在坯料升溫時，在坯料表面熱量向心部傳導的過程中也會對外部散熱，產生熱損，導致能量損失，這些可以稱為感應加熱的熱效率。感應加熱的效率，是由電效率和熱效率合并而成的，總的效率基本在50%～60%左右，相比于燃氣或燃煤加熱爐20%～30%的效率，感應加熱的效率提高了很多。尤其是在當今社會，強調綠色經濟、低碳經濟，感應加熱的應用將會更加廣泛。

表4是一些主要材料的比熱容數據，從表中我們也可以發現，導磁材料在居里點附近比熱容是大幅增加的。為此，我們可以根據表中提供的數據計算出，通常所用的45#鋼1kg坯料，一小時加熱到1150℃，所需要的能量是725kJ，相當于0.2kW·h，因此，采用感應加熱設備加熱45#鋼1kg坯料在進線側的能耗在0.335kW·h左右，受坯料加熱方式、坯料傳送方式和設備制造廠家技術水平的影響，向上浮動10%都屬于正常，但是對于需要中間采用多級輥道傳送的大功率設備，或加熱φ120mm以上的坯料，或加熱溫度在1200℃以上時，線圈之間的滾輪的熱損和熱傳導時間延長導致的熱損都會使能量轉換效率降低，此時，進線側的能耗可能會超過0.4kW·h/kg。

表4 常用鋼材的比熱容(單位：kJ/kg·℃)

參考以上數據，我們就可以根據每小時需要加熱的坯料重量估算出設備的實際使用功率，并依此確定設備的額定功率。

并聯逆變電路與串聯逆變電路的優缺點

目前，我國感應加熱電源線路根據感應線圈與補償電容的連接方式分為并聯逆變電路和串聯逆變電路兩種。國內市場對并聯逆變電路好還是串聯逆變電路好，爭論得不亦樂乎，但爭論的過程中，有的廠家往往混淆了一些基本概念，誘導消費者。實際上電網的功率因數和加熱電源的效率是兩個完全不同的概念，電網的功率因數是由進線側交流電流與交流電壓的相位差造成的。感應加熱電效率不僅僅包括了電網的功率因數，即感應加熱電源整流效率，也包括了感應加熱電源的逆變效率和電力傳輸效率。我們將通過表5來詳細介紹這兩種線路的優缺點。

表5 這兩種線路的優缺點

通過比較，我們可以清楚地知道：并聯逆變電路和串聯逆變電路是得到中頻感應電流的兩種不同途徑，各有優缺點。對于使用客戶來說，實際上更應該關心的是，加熱產品的在線噸能耗(注意，這里不是生產線的綜合能耗)，尤其是用于鍛造加熱和鑄造的用戶，因為，能耗成本目前在這些感應加熱用戶中是排在第一位的；而不是被設備制造商誘導，糾結于并聯電路好還是串聯電路好的困惑中。當然，設備運行的穩定性及服務的及時性也是非常關鍵的。

常用電力電子器件的性能

感應加熱電源技術與功率半導體器件，又稱電力電子器件制造技術互依互存，共同發展。半個多世紀以來，也經歷了從真空閘流管、真空三極管到半導體二極管、三極管、晶閘管、功率場效應晶體管(MOSFET)、靜電感應晶體管(SIT)、絕緣柵雙極性晶體管(IGBT)、柵控晶閘管(MCT)等不同時代的電力電子器件。

目前，在感應加熱電源中應用的電力電子器件主要是晶閘管、功率場效應管(MOSFET)和絕緣柵雙極性晶體管(IGBT)。下面我們還是通過表6來介紹這三種不同的電力電子器件的特點。

表6 三種不同的電力電子器件的特點

現代電力電子器件正朝著高頻、大電流、高電壓、柵控可關斷方向發展。現代電力電子器件的發展促進了感應加熱電源技術的升級換代，同樣電源技術也正在朝著大容量、模塊化、高穩定度、高效率，并能有效地抑制電網諧波和環境噪聲污染的方向發展。近幾年一種新型的感應加熱電源-LLC電源，在歐洲已經大面積使用，但在國內的應用才剛剛興起，今后我們將對這種加熱電源技術進行單獨介紹。

結束語

感應加熱作為非接觸加熱方式，有著效率高，對環境影響小，易于實現自動化的優勢，有著極大的發展前景，完全符合國家碳發展的產業政策。隨著感應加熱應用領域的拓寬，電源技術的發展，感應加熱應用的未來是光明的。各種電源技術都是實現感應加熱的不同路徑，需要根據應用場合的不同進行取舍。關鍵還是看能源效率，是否能讓能源創造最大價值。

不同的電力電子器件都有優缺點，晶閘管、IGBT和MOSFET，都需要根據用戶的使用要求進行選擇，目前還沒有一種器件可以完全替代另一種器件，晶閘管在中低頻(3000Hz以下)，高電壓和大電流場合仍然有著巨大的優勢，而且它的制造工藝成熟，是目前國內完全可以獨立生產的器件，目前大電流的IGBT和MOSFET幾乎還是完全依賴進口，而且通態損耗的增加掩蓋了在中低頻領域因為可控關斷帶來的優勢。