感应加热设备及其工作原理和特点

根据感应加热设备工作频率的不同，可分为工频感应加热设备、中频感应加热设备和高频感应加热设备，表9-2列举了常用的感应加热设备的主要特性。

表9-2　感应加热设备的频率和主要特性

除表中所列的感应加热设备外，为了热透厚度（直径）较大的产品，亦有采用频率＜50Hz的所谓低频感应加热设备。

（一）工频感应加热设备

一般由一台或数台专用或焊接变压器、调压器直接与供电网路连接（有些大型工件如汽包等热处理时由于设备容量大而接在6300V厂用电网上），利用变压器的二次侧作为感应加热器的电源，接线示意图如图9-6所示。频率为50Hz，淬硬层深度可大于10mm，其特点是设备简单，造价低廉，但感应器的功率因数低。要采用大容量电容器进行补偿，感应器要经过设计计算。

图9-6　工频感应加热电气结线示意图

1—开关；2—熔断器；3—变压器；4—调节器；5—电压表；6—电流表；7—感应加热器

（二）中频感应加热设备

感应器不能直接利用电网电源，必须采用一套将50Hz电能变为中频（500～10000Hz）电能的装置。它的淬硬深度在5mm左右。目前采用的中频电源有中频发电机组（又称机械式）和可控硅变频器电源两种，前者也存在着功率因数较低的缺点。(www.xing528.com)

1.中频发电机组

中频发电机实质上是一个产生频率较高的单相交流发电机，它与一般发电机的不同点在于励磁绕组（直流）和工作绕组（交流）都嵌在定子铁芯的线槽中，两绕组间没有相对运动，转子上没有绕组，其表面为齿状，与齿轮相似，凸部为槽。一般为立式、共轴、封闭机组，电动机在上部，发电机在下部，两个转子共轴，定子各自独立。

发电机定子铁芯用0.35mm厚的高硅钢片叠成，在钢片上冲有大小槽及通风孔，大槽嵌励磁绕组，小槽嵌工作绕组。阻尼绕组用紫铜排放在励磁绕组下边绕定子铁轭一圈而成，其作用是阻碍交变磁通经过定子轭部对励磁绕组的干扰。

中频发电机的整个机壳皆为双层，两层间通循环水冷却，冷水由机身下端的进水口用水泵打入，由上边的出水口流出。由风扇吹来的热空气亦依靠此水套冷却。大型发电机组采用内冷式，即工作绕组是空心的，循环水的流速是3t/h，并备有水压开关，当水压不足额定值时，能自动断开电源，起到保护作用。

目前使用最广泛的中频发电机是2500周/s和8000周/s两种。2500周/s发电机的特点是一个转子齿距等于两个定子齿距，定子齿数较转子齿数多一倍，当定子中的励磁绕组通入直流励磁电流时，则在每个励磁槽之间产生直流磁通，其磁通的方向由励磁电流方向决定，它的极性是沿着定子内表面交替变化的，其磁通的大小主要由其齿下部所对空气隙的大小所决定。

中频电路属于电感应性电路，其功率因数低（一般为0.2），有功功率也很低，不利于加热工件，必须在中频电路中并联电容器以提高功率因数。但电感性电路的功率因数随加热工件的不同而变化，因此并联的电容不是一个常量，而经常要随工作情况进行变化，所以中频感应设备中不是并联一个电容器，而是并联一个可以进行串并联的电容器组，这些电容器装在一个框中，并备有手动、自动开关以任意选择电容量，使功率因数cosφ=0.9（容性）。在这种情况下，如遇电感再向增加方向波动时，则cosφ可近似等于1。

2.可控硅变频电源

可控硅中频电源比中频发电机组有许多优点：没有转动部分，无磨损；体积小、重量轻、占地小，无需特殊基础；效率高（一般在90%）以上；启停、升温、保温、降温等操作方便，易实现自动控制；随负载变化能实现频率自动跟踪；可输出较宽范围频率。目前用于管道焊口热处理的可控硅中频电源功率多为100kW，冷却方式一般为水冷。

可控硅电源的基本工作原理是将工频电源经三相全控整流桥电路整流，通过平波电抗器滤波后，再经单相桥式逆变电路，供给由电感及电容组成的并联谐振电路进行工作。其详细工作原理及电路图可参见有关资料，这里就不做详细介绍了。

（三）高频感应加热设备

高频感应加热设备是将50Hz电能变为高频（7000～200000Hz）电能的装置，利用所得到的高频电流作加热产品的电源，淬硬层在3mm以下。电子管式高频发生器、超音频感应加热设备就是属于这种类型的设备。