钢性岩石压力实验机感应加热控制系统的设计毕业论文.doc

钢性岩石压力实验机感应加热控制系统的设计毕业论文 0 引言 感应加热技术是20世纪初才开始应用于工业部门的，它是通过电磁感应原理及利用涡流对工件进行加热。由于感应加热具有加热速度快、物料内部发热和热效率高、加热均匀且具有选择性、产品质量好、可控性好及易于实现生产自动化等一系列优点，已成为冶金、国防、机械加工等部门及船舶、飞机、汽车制造业等不可缺少加热技术，如：金属无缝焊接、金属退火处理、金属材料的表面淬火、药品包装封口、饮料包装封口等许多加工工艺均采用感应加热技术。同时，感应加热装置在提高安全水平，适应高效率生产，改善环境，节省能源方面发挥着重要作用，因此近年来得到了迅速发展。 我国感应加热技术从50年代开始就被广泛应用于工业生产当中，60年代末开始研制晶闸管中频电源，到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应用市场。在中频领域，晶闸管中频电源装置基本上取代了旋转发电机。但国产中频电源大多采用并联谐振逆变器结构，因此在开发更大容量的并联逆变中频感应加热电源的同时，尽快研制出结构简单，易于频繁启动的串联谐振逆变中频电源也是中频领域有待解决的问题。在超音频领域的研究工作八十年代已经开始。随着工业应用不断提出新的要求和电力电子器件及技术的发展，以及计算机微控制器性能的增强以及现代控制理论的发展，感应加热电源不管其理论还是实践也在不断发展和成熟。但是，总的来说，与发达国家相比，无论是容量、控制技术手段、电源工作频段还是生产规模和工艺技术方面，我们仍然存在很大差距。尤其在高频感应加热电源领域内，还存在许多空白，有待我们去研究和开发[1]。 1概述 1.1电磁感应加热基本原理 所谓电磁感应加热就是利用电磁感应现象对金属物件进行加热的方式。此原理应用最多的地方是变压器。变压器一次侧与二次侧各有一组线圈，一次侧输入的交流电压会使线圈产生正负交替变化的磁场，并与二次侧线圈祸合，因而在二次测产生感应电压，提供负载电流。一般变压器为了提高祸合效果，采用高磁导率的铁磁性材料为铁心，铁心产生的铁损会使变压器温度升高。产生铁损的原因有两种，一是与铁心材料的磁滞现象有关，另一种则是与变压器线圈在铁心产生的涡流有关。电磁感应加热就是利用铁损加热使温度上升。另一方面，由于金属物件具备导热的特性，因此适合非接触性电磁感应作用加热。 根据电磁感应定律，当通过导体回路的磁通量随时间发生变化时，回路中会有感应电动势产生，从而产生感应电流。磁通量的变化可以由磁场变化引起的，也可以是由于导体在磁场中运动或导体回路中的一部分切割磁力线的运动而产生的。感应电动势的大小与磁通量变化的快慢有关(电磁感应现象的实质是磁通量变化产生感应电动势);感应电动势的方向总是企图由它产生的感应电流建立一个附加的磁通量，以阻止引起感应电动势的那个磁通量。麦克斯韦在分析电磁感应现象的基础上，提出了一个大胆的假设:变化的磁场在其周围空间激发了一种新的电场，这种电场称为涡旋电场。电磁感应定律的数学公式表示如下: （1-1） （1-2） 由式(2-2)可知，当置于磁场中的导体不动，而磁场随时间变化时，金属中的载流子将在涡旋电场的作用下运动而形成电流，这种电流呈涡旋状，因此成为涡电流。因为金属的电阻很小，所以不大的感应电动势便可产生较强的涡电流。从而可以在金属内产生大量的焦耳热，这就是感应加热的基本原理[2]。 将频率为50Hz的市电接入系统，整流滤波后利用逆变电路将其转变为不同频率的交流电流，供应负载部分的加热线圈，加热线圈将建立交变磁场。若将磁性或非磁性的导电物件置入加热线圈所建立的交变磁场内，由于磁力线的切割，被加热物件将在不同深度会产生感应电流 (即涡流)。由于被加热物件的阻抗特性及涡流在被加热物件上的流动，因此产生R(R表示被加热物件的等效电阻)的电功率热消耗，使被加热物件温度上升，达到加热的目的。感应加热原理如图1-1所示。 图1-1 感应加热原理图 Fig.1-1 Principle diagram of induction heating 简言之，电磁感应加热系统中有三个阶段的能量转换，首先是电能转变为磁能，接着通过电磁感应原理将磁能转变为电能，最后由具有导电性的物体吸收电能转换为热能，达到升温的效果。 1.2电磁感应加热系统设计 在感应加热系统的设计中，系统频率、加热线圈散热与绝缘、加热线圈类型、加热线圈设计等皆须考虑，以下将针对上述因素进行说明。 1.2.1系统频率 被加热物件在加热线圈建立的交变磁场内，其感应的涡流并非均匀分布在被加热物件的各个剖面层上，越靠近加工物件表面处，电流密度越大，而且加热线圈上的电流频率越高，涡流往物件表层集中的程度越明显。 考虑加热对象的加热深度及使用用途，本文设计电磁感应加热系统工作频率为20kHz-60kHz。 1.2.2加热线