240kW感应加热电源及其变压器
2004-07-02 09:38:29
来源：国际电子变压器2004年7月刊
240kW感应加热电源及其变压器
Induction heated 240kw power supply and its transformer
1感应加热的原理
1.1电磁感应和感应加热
感应加热是电热应用的一种较好形式，它是利用电磁感应的原理将电能转变为热能。当交变电流Ii流入感应圈时，感应圈内便产生交变磁通φ，使置于感应圈中的工件（图1中为钢管）受到电磁感应而产生感应电势e。
如果磁通φ是呈正弦变化的，即φ=φMsinωt，则
e的有效值E=4.44fφM(伏)
感应电势E在工件中产生电流i2，i2使工件内部（确切地说，是工件近表面的电流透入深度△层）开始加热，其焦耳热为：
式中：
I2 感应电流的有效值（安）；
R工作电阻（欧）；
t 时间（秒）。
为了使金属能加热到一定温度，在金属内必须有足够大的电流I2，为此在金属内必须感应出足够大的电势E。由于感应电势E与磁通φM、频率f成正比，为了获得必须的感应电势，可以提高电源频率。同样的发热效果，频率越高，所需的磁通φM及感应圈中的电流I1就可以减小，所以近代的感应加热广泛采用中频和高频电源。另外，金属截面越大，那么在同样磁通密度的情况下，通过金属的φ也就越大，于是感应电势E以及金属内感应得到的功率也越大。
1.2电磁感应的三个效应
（1）集肤效应：直流电流流经导体时，电流在导体截面上是均匀分布的，但交流电流流经导体时，电流沿导体截面的分布是不均匀的，最大电流密度出现在导体的表面层。这种电流集聚于表面的现像叫做集肤效应。
电流频率越高，集肤效应也越显著。以上是导体本身通过交变电流时，电流在导体中产生的集肤现象。另一种情况是导体在交变的电磁场中，也就是置于感应圈中的工件。由于感应圈的中间产生交变的电磁场，使工件中产生的涡流也是交变电流，它沿截面的分布也是集聚在表面一层。
由电磁场理论知道，电流密度是由表面向中心近似地按一指数函数迅速下降。其电流透入深度
其中：
ρ 导体或工件的电阻率（欧·厘米）
μr 相对磁导率
f 频率（Hz）
在△层中所产生的热量为导体中总功率的0.865。
在交变磁场中的导体，由电磁感应产生的涡流密度的分布随着频率的降低也有向导体内部扩张的趋势。但无论在怎样低的频率下，也得不到均匀分布的电流，其中心线上的电流密度始终为零。电流透入深度的概念，只有在频率足够高时才有其物理意义。
（2）邻近效应：相邻两导体通以交流电流时，在相互影响下导体中的电流要重新分布，当两电流方向相反时，电流聚于导体内侧；方向相同时，电流被排于导体外侧（如图2所示）。
邻近效应可简单解释如下：
假如在任何瞬间两平行导体中的电流方向相反时（图2a），在导体之间由两电流所建立的磁场方向相同，总磁场增大，而两导体外侧的磁场却减弱。两导体之间的磁通不仅通过空气，而且也通过导体内部。显然导体外侧比内侧交链较多的磁通，因而导体外侧的电感和阻抗较内侧为大。因此导体外侧电流密度较内侧为小。
当两平行导体中的电流方向相同时，用同样的方法可得出导体外侧电流密度较内侧为大。
（3）圆环效应：若将交流电流通过圆环形螺管线圈时，则最大电流密度出现在线圈导体的内侧（图3），这种现象叫做圆环效应。导体的径向厚度直径之比越大，这咱效应就越显著。通常磁力线在环内集中，在环外分散，一部分磁力线穿过导体本身，因此导体的外侧比内侧交链较多的磁通，这样导体外侧的电感和阻抗较内侧为大，电流向内侧集聚。
感应电炉即是对这几种效应的综合利用。在感应器中置以炉料（见图4a），在感应器两端施加交流电压，即产生交变磁场。此时感应器本身表现为圆环效应，感应器与炉料间即为邻近效应，而炉料本身表现为集肤效应。感应器和炉料中的电流密度（δ）分布如图4b所示。
1.3加热过程中金属物理性质的变化
在加热过程中，金属材料的电阻率ρ和磁导率μ都是变化的。它们对金属中电流密度分布的影响很大。电流透入深度△将随着ρ、μ的变化而改变。
当磁场强度一定时，钢的磁导率随着温度的升高而下降。开始时下降得很缓慢，一般可忽略不计。当温度达居里温度时，便急剧下降到相对磁导率为1（如图5所示），所以高温时，电流透入深度会增加很多。在居里点以前，铁磁特质的B-H曲线是非线性的，相对磁导率μr与磁场强度有关。感应加热由于采用非常强的磁场，磁路相当饱和，因此磁导率的起始值一般较低，约为16，有时甚至更低。
电阻率ρ代表材料的导电性能。在不同温度下，几种金属的电阻率ρ，可见表2所列。
图5中示出常温时45号钢的电阻率为2×10-5欧·厘米；当温度升到800~900℃，电阻率约增加到10-4欧·厘米；温度再继续上升，电阻率也基本上维持等于这一数值，不再改变。
2高频变压器
在此介绍一台240kW高频感应加热电源的方框图及其高频变压器的有关设计。
本电源采用的是串联补偿IGBT全控逆变电源，在其变压器的输出端，只要配用不同的感应圈，就可以用于加热钢管、焊接、熔炼、热处理等。电源工作时，负载即工件放在感应圈内，通过高频变压器实现负载与电源的匹配。
2.1高频变压器的特点
（1）加热电源的工作频率很高，由于导体、导线的集肤效应、邻近效应、圆环效应，使导体截面上的电流密度分布不均匀，导体有效截面积减小。
（2）铁芯的高频磁滞损耗、涡流损耗较大，其发热量较大，需要用强迫冷却方式。
（3）对不同的负载及工艺要求，在设计变压器时应考虑其工作暂载率。
2.2 240kW变压器的技术指标
（1）额定输出功率：240kW
（2）频率调节范围：20kHz~100kHz
长期工作频率：600kHz
（3）初级输入电压：4000V
（4）次级输出电压和电流：200V、1200A
2.3变压器的有关数据
（1）铁心：铁氧体EE130，共用2付
（2）初级线径和圈数：双玻璃丝包扁线SBEB1×3×5股叠绕 共20圈
次级线径和圈数：1mm厚紫铜板65mm宽 共1圈
（3）60kHz时的B值
(4)初级电流密度
次级电流密度
感应圈电流密度
2.4感应圈
感应圈和被加热钢管是高频变压器的负载，但同时又组成另一只变压器，其中感应圈为初级，钢管本身既是该变压器的铁芯，又是该变压器的次级，次级是单匝的，而且是短路的。当超过居里点温度时，铁磁材料失去磁性，成为一个空心变压器。
感应圈一般是由紫铜管制成单匝或多匝的线圈，其尺寸和匝数还直接影响电源负载阻抗的大小。因此必须根据负载阻抗和高频电源的匹配以及电源起动的能力，修正感应圈的几何尺寸和匝数。
钢管和感圈之间必须留有一定的间隙。为了提高传递效率，尽可能缩小间隙。一般取单侧间隙为3~15毫米。管径越大，间隙可取大些。
感应圈的宽度与被加热钢管的壁厚、弯制时所要求的内外壁温差、电源频率及加热时间有关。当感应圈宽度增加时，钢管被加热的红区加宽，内外壁温差减小。但红区加宽使弯头椭圆度增加；当感应圈宽度减小时，加热红区虽然变窄，但内外壁温差加大。因此，感应圈宽应根据钢管的壁厚、弯制速度和允许内外壁温差，结合加热频率等因素综合选择。
一般取：b=1.5~2.5δ
式中：b 感应圈宽度
δ 钢管壁厚
2.5耐压绝缘
本变压器初级为4000V，耐压绝缘较为简单，用环氧灌封起来就可以了，具体如下：
底筒尺寸：1mm环氧板搭成，内档窗口×高为43×100×76的底筒。
灌注后尺寸：窗口内档尺寸 40×98 绕线宽度 82
窗口外档尺寸 70×138 绕线宽度 82
初级线包居中，各边灌有3mm左右环氧绝缘层。
2.6循环水冷却系统的设计
感应圈是钢管的加热环，在感应圈中通过的中高频电流极大，电流密度高达54.57A/mm2，同时了为缩小变压器的体积，次级绕组的电流密度也达到18.46A/mm2。为此循环水冷却系统成为本变压器的重点解决的问题。从铁芯开始到次级绕组，再到负载感应圈，由φ8由φ8紫铜管组成一个冷却的循环系统，把磁路和电路在工作中产生的热量有效地传递出去。在每段紫铜管之间，塑料软管通过φ8双向铜接头可靠焊接或紧密连接在一起，形成一个循环。
（1）磁心冷却：
在每个E形磁心上面骑夹垂直各一块散热片，再在散热片上焊接弯形冷却管，见图7所示。散热片和冷却管分别由导热性能好的1mm紫铜板和φ8紫铜管制成。铜管的两头仍为φ8管，其余部分敲成7mm扁孔状，便于用焊锡可靠焊接在散热铜板上。
磁心产生的热量，通过涂有导热性是普通绝缘硅三倍的导热绝缘硅脂HZ-SK101层传递到散热片，再转到冷却管路，由冷却管路中的水流将热量带走。
应该注意的是，避免上述导电材料在铁心周围形成闭合回路。
（2）次级绕组冷却：
用1mm紫铜板在已灌注环氧的初级绕组的外面围成1圈的次级绕组。在窗口位置的两侧的紫铜板上各焊接一根由φ8紫铜管变成的U型冷却管，铜管的两头仍为φ8管，其余部分敲成7mm扁孔状，便于可靠焊接在次级侧面的铜板上，见图8所示。
（3）次级引出端的处理与冷却
在次极两引出端各“包”并“焊”一根φ8紫铜管，管的下端分别与空心黄铜输出接头用铜电焊绕牢（因该点周围的电流密度高度集中，若用锡焊接不可靠）相接通，见图8所示。
空心黄铜输出接头工作时，将与负载感应圈相连接。
从上各冷却紫铜管的引出端上分别与一只φ8的双向铜管接头焊接，铜管接头的另一端通过φ8塑料软管与其他紫铜管上的另一只双向铜管接头相连接，组成一个通水循环系统。
该冷却循环系统的链接：由下面一个E磁心开始→上面一个E磁心→旁边上面一个E磁心→下面一个E磁心→次级一侧的U管→另一侧的U管→次级输出接头→感应圈负载→次级另一输出接头→反回水槽。见图9所示，水泵压力约2kg/cm2。
在磁心叠厚方向，线包内档为98mm，而2付E磁心厚度只有40mm×2。多出的18mm作为二付E磁心和线包三者之间留下的三排，各约5×35mm2左右的上下散热气隙孔，磁心即整个变压器由上下二块5mm环氧板垫加橡胶绝缘垫夹紧固定，为了配合上述的散热气隙孔，在环氧板上对应的中间打有一排φ10的散热孔。
感应加热是电热应用的一种较好形式，它是利用电磁感应的原理将电能转变为热能。当交变电流Ii流入感应圈时，感应圈内便产生交变磁通φ，使置于感应圈中的工件（图1中为钢管）受到电磁感应而产生感应电势e。
如果磁通φ是呈正弦变化的，即φ=φMsinωt，则
e的有效值E=4.44fφM(伏)
感应电势E在工件中产生电流i2，i2使工件内部（确切地说，是工件近表面的电流透入深度△层）开始加热，其焦耳热为：
式中：
I2 感应电流的有效值（安）；
R工作电阻（欧）；
t 时间（秒）。
为了使金属能加热到一定温度，在金属内必须有足够大的电流I2，为此在金属内必须感应出足够大的电势E。由于感应电势E与磁通φM、频率f成正比，为了获得必须的感应电势，可以提高电源频率。同样的发热效果，频率越高，所需的磁通φM及感应圈中的电流I1就可以减小，所以近代的感应加热广泛采用中频和高频电源。另外，金属截面越大，那么在同样磁通密度的情况下，通过金属的φ也就越大，于是感应电势E以及金属内感应得到的功率也越大。
1.2电磁感应的三个效应
（1）集肤效应：直流电流流经导体时，电流在导体截面上是均匀分布的，但交流电流流经导体时，电流沿导体截面的分布是不均匀的，最大电流密度出现在导体的表面层。这种电流集聚于表面的现像叫做集肤效应。
电流频率越高，集肤效应也越显著。以上是导体本身通过交变电流时，电流在导体中产生的集肤现象。另一种情况是导体在交变的电磁场中，也就是置于感应圈中的工件。由于感应圈的中间产生交变的电磁场，使工件中产生的涡流也是交变电流，它沿截面的分布也是集聚在表面一层。
由电磁场理论知道，电流密度是由表面向中心近似地按一指数函数迅速下降。其电流透入深度
其中：
ρ 导体或工件的电阻率（欧·厘米）
μr 相对磁导率
f 频率（Hz）
在△层中所产生的热量为导体中总功率的0.865。
在交变磁场中的导体，由电磁感应产生的涡流密度的分布随着频率的降低也有向导体内部扩张的趋势。但无论在怎样低的频率下，也得不到均匀分布的电流，其中心线上的电流密度始终为零。电流透入深度的概念，只有在频率足够高时才有其物理意义。
（2）邻近效应：相邻两导体通以交流电流时，在相互影响下导体中的电流要重新分布，当两电流方向相反时，电流聚于导体内侧；方向相同时，电流被排于导体外侧（如图2所示）。
邻近效应可简单解释如下：
假如在任何瞬间两平行导体中的电流方向相反时（图2a），在导体之间由两电流所建立的磁场方向相同，总磁场增大，而两导体外侧的磁场却减弱。两导体之间的磁通不仅通过空气，而且也通过导体内部。显然导体外侧比内侧交链较多的磁通，因而导体外侧的电感和阻抗较内侧为大。因此导体外侧电流密度较内侧为小。
当两平行导体中的电流方向相同时，用同样的方法可得出导体外侧电流密度较内侧为大。
（3）圆环效应：若将交流电流通过圆环形螺管线圈时，则最大电流密度出现在线圈导体的内侧（图3），这种现象叫做圆环效应。导体的径向厚度直径之比越大，这咱效应就越显著。通常磁力线在环内集中，在环外分散，一部分磁力线穿过导体本身，因此导体的外侧比内侧交链较多的磁通，这样导体外侧的电感和阻抗较内侧为大，电流向内侧集聚。
感应电炉即是对这几种效应的综合利用。在感应器中置以炉料（见图4a），在感应器两端施加交流电压，即产生交变磁场。此时感应器本身表现为圆环效应，感应器与炉料间即为邻近效应，而炉料本身表现为集肤效应。感应器和炉料中的电流密度（δ）分布如图4b所示。
1.3加热过程中金属物理性质的变化
在加热过程中，金属材料的电阻率ρ和磁导率μ都是变化的。它们对金属中电流密度分布的影响很大。电流透入深度△将随着ρ、μ的变化而改变。
当磁场强度一定时，钢的磁导率随着温度的升高而下降。开始时下降得很缓慢，一般可忽略不计。当温度达居里温度时，便急剧下降到相对磁导率为1（如图5所示），所以高温时，电流透入深度会增加很多。在居里点以前，铁磁特质的B-H曲线是非线性的，相对磁导率μr与磁场强度有关。感应加热由于采用非常强的磁场，磁路相当饱和，因此磁导率的起始值一般较低，约为16，有时甚至更低。
电阻率ρ代表材料的导电性能。在不同温度下，几种金属的电阻率ρ，可见表2所列。
图5中示出常温时45号钢的电阻率为2×10-5欧·厘米；当温度升到800~900℃，电阻率约增加到10-4欧·厘米；温度再继续上升，电阻率也基本上维持等于这一数值，不再改变。
2高频变压器
在此介绍一台240kW高频感应加热电源的方框图及其高频变压器的有关设计。
本电源采用的是串联补偿IGBT全控逆变电源，在其变压器的输出端，只要配用不同的感应圈，就可以用于加热钢管、焊接、熔炼、热处理等。电源工作时，负载即工件放在感应圈内，通过高频变压器实现负载与电源的匹配。
2.1高频变压器的特点
（1）加热电源的工作频率很高，由于导体、导线的集肤效应、邻近效应、圆环效应，使导体截面上的电流密度分布不均匀，导体有效截面积减小。
（2）铁芯的高频磁滞损耗、涡流损耗较大，其发热量较大，需要用强迫冷却方式。
（3）对不同的负载及工艺要求，在设计变压器时应考虑其工作暂载率。
2.2 240kW变压器的技术指标
（1）额定输出功率：240kW
（2）频率调节范围：20kHz~100kHz
长期工作频率：600kHz
（3）初级输入电压：4000V
（4）次级输出电压和电流：200V、1200A
2.3变压器的有关数据
（1）铁心：铁氧体EE130，共用2付
（2）初级线径和圈数：双玻璃丝包扁线SBEB1×3×5股叠绕 共20圈
次级线径和圈数：1mm厚紫铜板65mm宽 共1圈
（3）60kHz时的B值
(4)初级电流密度
次级电流密度
感应圈电流密度
2.4感应圈
感应圈和被加热钢管是高频变压器的负载，但同时又组成另一只变压器，其中感应圈为初级，钢管本身既是该变压器的铁芯，又是该变压器的次级，次级是单匝的，而且是短路的。当超过居里点温度时，铁磁材料失去磁性，成为一个空心变压器。
感应圈一般是由紫铜管制成单匝或多匝的线圈，其尺寸和匝数还直接影响电源负载阻抗的大小。因此必须根据负载阻抗和高频电源的匹配以及电源起动的能力，修正感应圈的几何尺寸和匝数。
钢管和感圈之间必须留有一定的间隙。为了提高传递效率，尽可能缩小间隙。一般取单侧间隙为3~15毫米。管径越大，间隙可取大些。
感应圈的宽度与被加热钢管的壁厚、弯制时所要求的内外壁温差、电源频率及加热时间有关。当感应圈宽度增加时，钢管被加热的红区加宽，内外壁温差减小。但红区加宽使弯头椭圆度增加；当感应圈宽度减小时，加热红区虽然变窄，但内外壁温差加大。因此，感应圈宽应根据钢管的壁厚、弯制速度和允许内外壁温差，结合加热频率等因素综合选择。
一般取：b=1.5~2.5δ
式中：b 感应圈宽度
δ 钢管壁厚
2.5耐压绝缘
本变压器初级为4000V，耐压绝缘较为简单，用环氧灌封起来就可以了，具体如下：
底筒尺寸：1mm环氧板搭成，内档窗口×高为43×100×76的底筒。
灌注后尺寸：窗口内档尺寸 40×98 绕线宽度 82
窗口外档尺寸 70×138 绕线宽度 82
初级线包居中，各边灌有3mm左右环氧绝缘层。
2.6循环水冷却系统的设计
感应圈是钢管的加热环，在感应圈中通过的中高频电流极大，电流密度高达54.57A/mm2，同时了为缩小变压器的体积，次级绕组的电流密度也达到18.46A/mm2。为此循环水冷却系统成为本变压器的重点解决的问题。从铁芯开始到次级绕组，再到负载感应圈，由φ8由φ8紫铜管组成一个冷却的循环系统，把磁路和电路在工作中产生的热量有效地传递出去。在每段紫铜管之间，塑料软管通过φ8双向铜接头可靠焊接或紧密连接在一起，形成一个循环。
（1）磁心冷却：
在每个E形磁心上面骑夹垂直各一块散热片，再在散热片上焊接弯形冷却管，见图7所示。散热片和冷却管分别由导热性能好的1mm紫铜板和φ8紫铜管制成。铜管的两头仍为φ8管，其余部分敲成7mm扁孔状，便于用焊锡可靠焊接在散热铜板上。
磁心产生的热量，通过涂有导热性是普通绝缘硅三倍的导热绝缘硅脂HZ-SK101层传递到散热片，再转到冷却管路，由冷却管路中的水流将热量带走。
应该注意的是，避免上述导电材料在铁心周围形成闭合回路。
（2）次级绕组冷却：
用1mm紫铜板在已灌注环氧的初级绕组的外面围成1圈的次级绕组。在窗口位置的两侧的紫铜板上各焊接一根由φ8紫铜管变成的U型冷却管，铜管的两头仍为φ8管，其余部分敲成7mm扁孔状，便于可靠焊接在次级侧面的铜板上，见图8所示。
（3）次级引出端的处理与冷却
在次极两引出端各“包”并“焊”一根φ8紫铜管，管的下端分别与空心黄铜输出接头用铜电焊绕牢（因该点周围的电流密度高度集中，若用锡焊接不可靠）相接通，见图8所示。
空心黄铜输出接头工作时，将与负载感应圈相连接。
从上各冷却紫铜管的引出端上分别与一只φ8的双向铜管接头焊接，铜管接头的另一端通过φ8塑料软管与其他紫铜管上的另一只双向铜管接头相连接，组成一个通水循环系统。
该冷却循环系统的链接：由下面一个E磁心开始→上面一个E磁心→旁边上面一个E磁心→下面一个E磁心→次级一侧的U管→另一侧的U管→次级输出接头→感应圈负载→次级另一输出接头→反回水槽。见图9所示，水泵压力约2kg/cm2。
在磁心叠厚方向，线包内档为98mm，而2付E磁心厚度只有40mm×2。多出的18mm作为二付E磁心和线包三者之间留下的三排，各约5×35mm2左右的上下散热气隙孔，磁心即整个变压器由上下二块5mm环氧板垫加橡胶绝缘垫夹紧固定，为了配合上述的散热气隙孔，在环氧板上对应的中间打有一排φ10的散热孔。
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