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洛阳理工学院毕业设计（论文）
工件时，交变的磁力线穿透金属工件形成回路，故在其横截面内产生感应电流，此电流称为涡流(亦称傅科电流)，可使待加热工件局部瞬时迅速发热，进而达到工业加热的目的。
1.1.4感应加热中的三种效应和穿透深度
在感应加热过程中存在着三种效应：集肤效应、邻近效应和圆环效应。 集肤效应：当交流电流通过导体时，沿导体截面上的电流分布不是均匀的，最大的电流密度出现在导体的表面层，我们称这种电流集聚的现象为集肤效应。
邻近效应：两根通有交流电的导体距离很近时，导体中的电流分布会受彼此的影响而有所变化。若两导体中电流方向相反，则最大的电流密度出现在两导体的内侧，反之若导体中电流方向相同，则最大电流出现在两导体的外侧，这种现象就称作邻近效应。
圆环效应：当交流电通过圆环形线圈时，最大的电流密度出现在线圈导体的内侧，这种现象称作圆环效应。
感应加热设备（电源）就是综合利用此三种效应的设备。高频交变电流通过导体时，由于集肤效应的影响，电流只在导体表面层通过，表面层的深度与导体的性质和电流频率的高低有关，通常将此表面层的深度或厚度定义为穿透深度。工程上规定，当导体某一深处的电流密度为其表面电流密度的1/e=0.368时，该深度就定以为穿透深度Δ。
工程上穿透深度可由下面表达式确定[2]：
（1-1）
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（1-2）
式中f：交变电流频率，Hz； μo：真空磁导率； μr：相对磁导率； ρ：导体的电阻率； 式（1-1）可进一步简化为
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??????? ?r? （1-3）
从式（1-3）可知，穿透深度Δ与电阻率ρ的平方根成正比，与电流频率f及导体的相对磁导率的μr平方根成反比。电流频率越高，穿透深度越小，集肤效应越明显。当ρ和μr确定以后，可以通过改变频率来控制穿透深度，达到工艺要求。
1.2 感应加热电源发展现状及趋势
1.2.1 感应加热电源频率划分
感应加热电源在频率范围并没有一个绝对、标准规定的数字界限。其实，感应加热电源并没有严格的分类规范。本文是按低频、中频、高频的三级分类方法划分，即150Hz以下称为低频感应加热电源，150-10KHz为中频感应加热电源，10KHz以上为高频感应加热电源[3]。
1.2.2国外高频感应加热电源发展现状
20世纪50年代以前的20年时间内感应加热电源技术发展缓慢、产品技术水平低下。50年代后晶闸管的问世，给感应加热电源的发展带来了新的生机。80年代后，随着电力电子器件的飞速发展，GTO、MOSFTE、IGTB、GTR、SIT、IGCT等器件相继出现，感应加热装置也逐渐摒弃晶闸管，开始使用这些新器件。现在比较常用的是IGBT、MOSFET，其中IGBT用于较大功率场合，而MOSFET适用于较高频率、中小功率场合。
在高频(100kHz 以上)阶段，国外已从传统的电子管电源过渡到晶体管全固态电源。在日本80年代末就采用SIT研制出固态高频感应加热电源，其水平可达480KW /400KHz，1200KW/200 KHz。在欧美，随着功率器件的迅速发展，以模块化、大容量化MOSFET功率器件为主，MOSFET高频大功率感应加热电源得到了飞速的发展。西班牙采用MOSFET的电流型感应加热电源制造水平达 600KW/400KHz；德国在1989年就研制出电流型MOSFET感应加热电源，其水平达480KW/50kHz~200 KHz。目前，德国EFD公司已经有150KHz/1100KW以
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及 5MHz/25KW的固态高频感应加热电源产品；比利时的公司生产的电流型MOSFET感应加热电源水平可达1000KW/15kHz～600KHz；英国 Radyne公司也有27MHz/5KW的固态高频感应加热电源产品问世；美国Ameritherm公司拥有 1KW～120 KW /50 KHz～485 KHz系列化的产品，也有15MHz/1KW的固态高频感应加热电源产品[4-5]。
1.2.3国内高频感应加热电源发展现状
我国开始电磁感应加热的研究和应用，起步较晚，大约是在20世纪50年代，从借鉴、消化、引进国外先进技术和设备到自主创新。目前已经形成了一定范围的系列化产品，并开拓了较为广阔的市场。国内IGBT感应加热电源的水平是1000KW/50KHz，MOSFET感应加热电源的水平是400KW/400KHz。总的来说，国内高频感应加热电源与发达国外有相当大的差距，现在正朝着MOSFET 和IGBT高频感应加热电源取代电子管高频电源的方向发展[6]。
1.2.4感应加热电源发展趋势
1、大容量化
根据加热物质对象及吨位不同，电源的功率容量可以从数百伏安到几十兆安不等。扩展感应加热电源容量是感应加热技术及应用前景的关键，提高加热的功率容量的途径可分为三类：一类是提高单体半导体功率器件的容量，另一类是器件的串并联，还有一类是多台感应加热电源并联扩容。在器件的串、并联方式中，必须认真处理串联器件的均压问题和并联器件的均流问题，由于器件制造工艺和参数的离散性，限制了器件的串、并联数目，且串、并联数越多，装置的可靠性越差。多台电源的串、并联技术是在器件串、并联技术基础上进一步大容量化的有效手段，借助于可靠的电源串、并联技术，在单机容量适当的情况下，可简单地通过串、并联运行方式得到大容量装置，每台单机只是装置的一个单元或一个模块[7-8]。
2、高频化
随着感应加热电源的应用不断扩展到各个领域，对频率要求越来越高。加热频率越高，功率密度越集中，表面加热深度越浅。频率的提高主要有以下途径。
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（1）选用工作频率高的电力半导体器件。目前感应加热单元工作频率高于100KHz可应用的电力半导体器件组要有MOSFET、IGBT、SIT，其中MOSFET频率高，但是电压和电流容量较低。
（2）采用软开关技术提高工作频率。感应加热电源高频化受开关器件损耗的制约，开关频率越高，损耗越大，不仅降低电源效率，而且温度升高，需要庞大的散热系统。软开关技术使器件在零电流或零电压状态下开关，即ZCS、ZVS状态。功率器件开通或关断时刻不会出现电压、电流重叠现象，大大降低开关了损耗[9]。
（3）采用倍频式逆变电路拓扑提高频率。倍频式感应加热电源对提高加热频率和功率具有重要的现实意义。倍频式逆变器的电路结构是在标准逆变桥式电路中的每个功率器件上再并联一只功率开关，相当于两个全桥电路中的超前臂相互并联中点相连，滞后臂相互并联中点相连，共同一个负载。这种电路拓扑结构在不改变单个功率器件的工作频率指标的情况下，使电源频率提高了一倍[10]。
3、智能化
感应加热电源智能化是感应加热电源的发展的趋势，也是衡量感应加热电源性能先进的重要标志；同时也是提高热处理自动化程度和电源可靠性的要求，使电源趋向集成化、模块化，对缩短生产周期，提高可使用性和可维修性均有重要意义。选用智能半导体模块是实现智能化的基础，如集驱动、保护、智能于一体的智能模块IPM。运用数字处理技术是实现智能化的核心，采用以DSP为核心的控制芯片，可以实现多种功能，如PWM生成，数字锁相环跟踪，过电压、过电流、短路、缺相保护等[11]。
4、数字化频率跟踪和负载阻抗自动匹配
频率自动跟踪及负载阻抗自动匹配是当代感应加热电源重点解决的关键技术。频率自动跟踪及负载阻抗自动匹配是保证加热电源获得最大功率输出、提高电源效率、安全稳定工作的重要控制特性。在加热过程中，温度变化会最终使负载回路的固有谐振频率f0发生变化，而且是一个非线性系统。如果此时逆变器的工作频率fs不及时跟踪f0，开关频率将偏离谐振频率，逆变器将会工作在硬开关状态，在高频、大功率情况下，损耗增加，逆变器的安全性和可靠性下降；同时，电压与电流不能同相，功率因数降低，达不到最大功率输出，电源效率和容量利用率降低。因此，必须采用频率跟踪控制技术，使fs?f0，功率因数接近1，获得最大功率输出，开关损耗降低。在高频化感应加热电源中目前采
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