串聯(lián)諧振感應(yīng)加熱系統(tǒng)
感應(yīng)加熱的頻率
用于感應(yīng)加熱電源的頻率可以從50Hz到幾MHz。選擇頻率首先要考慮的是加熱效率和溫度分布。其次是熔煉、透熱和淬火等不同加熱工藝對(duì)電源頻率的特殊要求。如透熱、熔煉等加熱工藝要求加熱時(shí)溫度均勻，而淬火則不要求溫度均勻只需要滿足淬硬層厚度。對(duì)于熔煉還需要考慮攪拌力的作用和功率密度。再者，頻率高功率大的電源設(shè)備一般都比頻率低比功率小的價(jià)格高。因此，選擇電源頻率最終需要考慮其綜合經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。
電磁感應(yīng)的三個(gè)效應(yīng)
電磁感應(yīng)在導(dǎo)體上產(chǎn)生的交流電流的分布是不均勻的，主要受到三個(gè)效應(yīng)即集膚效應(yīng)、臨近效應(yīng)和圓環(huán)效應(yīng)的影響。
(1)集膚效應(yīng)、透入深度△及有效加熱層ξ
導(dǎo)線通過直流時(shí)，能保證導(dǎo)線中的電流密度是均勻的。但只要電流變化率很小，電流分布仍可認(rèn)為是均勻的。對(duì)于工作于低頻的細(xì)導(dǎo)線，這一論述仍然是可確信的。但在高頻電路中，電流變化率非常大，不均勻分布的狀態(tài)較為嚴(yán)重。最大電流密度出現(xiàn)在導(dǎo)體的表面層。這種電流集聚于導(dǎo)線表面的現(xiàn)象叫做集膚效應(yīng)。集膚效應(yīng)可解釋如下：如圖2.3(a)所示，當(dāng)電流通過導(dǎo)體時(shí)，在導(dǎo)體的外部和內(nèi)部都建立了磁場(chǎng)，磁力線的形狀是以導(dǎo)體的中心為圓心的同心圓，如果流過的電流是交變的，那么磁場(chǎng)也是交變的，顯然與導(dǎo)體表面部分相交鏈的磁力線，比與導(dǎo)體內(nèi)部（接近中心部分）所交鏈的磁力線要少，于是導(dǎo)體中心部分的自感電勢(shì)，或者說中心部分的電感和阻抗，大于表面部分的電感和阻抗。電流總是沿阻抗最小的路徑流動(dòng)，所以電流會(huì)集聚在導(dǎo)體的表面層。
電流頻率越高，自感電動(dòng)勢(shì)的作用越強(qiáng)，集膚效應(yīng)也越顯著。以上分析的是導(dǎo)體中通入交變電流時(shí)電流在導(dǎo)體中產(chǎn)生的集膚現(xiàn)象。另一種情形是導(dǎo)體放在交變電磁場(chǎng)中，也就是感應(yīng)
加熱工件的情形，工件中的渦流也是交變電流，它沿截面的分布也是集聚在工件表面一層。在工業(yè)應(yīng)用方面，對(duì)金屬進(jìn)行表面淬火就是利用集膚效應(yīng)。
(2)鄰近效應(yīng)
相鄰兩個(gè)導(dǎo)體分別通入交流電流時(shí)，兩個(gè)導(dǎo)體會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，導(dǎo)體除了受自身產(chǎn)生的磁場(chǎng)影響外，還受另一個(gè)導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場(chǎng)的影響，在這種相互影響下導(dǎo)體內(nèi)的電流會(huì)重新分布。當(dāng)兩導(dǎo)體內(nèi)電流的方向相反時(shí)導(dǎo)體內(nèi)側(cè)電流密度比較大；當(dāng)兩導(dǎo)體內(nèi)電流的方向相同時(shí)，導(dǎo)體外側(cè)電流密度比較大（如圖2.5所示）。這種現(xiàn)象稱為鄰近效應(yīng)。
鄰近效應(yīng)原理可解釋如下：如果兩個(gè)平行的導(dǎo)體中流過電流的方向相反時(shí)(圖2.5(a))，兩導(dǎo)體中電流所建立的磁場(chǎng)在兩導(dǎo)體之間的方向相同的，因此兩導(dǎo)體中間的總的磁場(chǎng)強(qiáng)度增大，而在兩導(dǎo)體外側(cè)的磁場(chǎng)強(qiáng)度減弱。兩導(dǎo)體之間的磁感線不僅通過空氣，而且也穿過導(dǎo)體內(nèi)部。顯然導(dǎo)體的外側(cè)較內(nèi)側(cè)要交鏈更多的磁通，因此導(dǎo)體外側(cè)的阻抗值比內(nèi)側(cè)大。因此導(dǎo)體外側(cè)較內(nèi)側(cè)電流密度要小。導(dǎo)體間的距離越近，鄰近效應(yīng)越顯著。
(3)圓環(huán)效應(yīng)
如果在圓環(huán)形螺管線圈通過交流電流時(shí)，線圈導(dǎo)體的內(nèi)側(cè)電流密度會(huì)比較大（如圖2.6），這種現(xiàn)象叫做圓環(huán)效應(yīng)。導(dǎo)體的徑向厚度與圓環(huán)直徑之比越大，這種效應(yīng)就越顯著。通常磁力線在圓環(huán)內(nèi)集中，在園環(huán)外分散，因此導(dǎo)體的外側(cè)較內(nèi)側(cè)交鏈較多的磁通，這樣導(dǎo)體外側(cè)的電感和阻抗較內(nèi)側(cè)為大，電流向內(nèi)側(cè)集聚。感應(yīng)電爐即是對(duì)這幾種效應(yīng)的綜合利用。在感應(yīng)器中置以爐料（見圖2.7(a)）,在感應(yīng)器兩端施加交流電壓，即產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。此時(shí)感應(yīng)器本身表現(xiàn)為圓環(huán)效應(yīng)，感應(yīng)器與爐料間即為鄰近效應(yīng)，而爐料本身表現(xiàn)為集膚效應(yīng)。感應(yīng)器和爐料中的電流密度（δ）分布如圖2.7(b)所示。
中頻電源主電路結(jié)構(gòu)
電力半導(dǎo)體感應(yīng)加熱電源的出現(xiàn)，使感應(yīng)加熱電源無論從外觀還是內(nèi)在電路結(jié)構(gòu)都更加簡(jiǎn)單。電力半導(dǎo)體感應(yīng)加熱電源電路結(jié)構(gòu)與它的工作頻率和功率大小無關(guān)，一般是由整流電路、濾波電路、逆變電路及其控制電路和保護(hù)電路等組成(見圖2.8)。工作時(shí)，三相工頻交流電經(jīng)整流電路整流，再經(jīng)過濾波電路濾波后，變?yōu)檩^平滑的直流傳送給逆變器。逆變器部分采用電力半導(dǎo)體作為開關(guān)器件，再將直流電轉(zhuǎn)換成負(fù)載所需頻率的交流電供給負(fù)載。
按采用的濾波器不同，中頻電源可分為電流型和電壓型。電流型采用直流平波電抗器濾波，可獲得較平直的直流電流，負(fù)載電流為矩形波，負(fù)載電壓近似正弦波；電壓型采用電容器濾波，可獲得較平直的直流電壓，負(fù)載兩端電壓為矩形波，負(fù)載電流近似正弦波。按負(fù)載諧振方式分，中頻電源可分為并聯(lián)諧振式，串聯(lián)諧振式和串并聯(lián)諧振式三種。本章主要是對(duì)中頻電源主電路的整流部分和逆變部分分別進(jìn)行分析和研究，進(jìn)而提出本課題解決方案。