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感应加热的基本知识    

DIANJICISHU:341 FABUSHIJIAN:2017/7/17 11:20:28

感应加热的基本知识 花开棋牌                     

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6. 电力半导体式感应加热装置的构成

电力半导体式感应加热装置的出现,使感应加热装置无论从外观还是内在的结构都更加简单和单一化。在电力半导体器件出现以前,除了早已淘汰的火花隙高频发生器外,感应加热装置按频段分为三种类型: (1)50Hz 以下为磁性静止变频器,它是利用正弦波电压加在磁路饱和的电抗器上,会产生高次谐波的原理而进行的; (2)1~8kHz 发电机组: (3) 几十 kHz 以上用 电子管振荡器。显然,这三种感应加热装置无论在外观还是电路结构上,都毫无相似之处。电力半导体感应加热装置则不然,无论其频率高低,功率大小,都有相似的外观和几乎完全相同的结构,电路也更加简单。不同频率半导体感应加热装置的主要区别,只是在所用开关器件不同,以及由此带来的开关器件驱动电路、缓冲电路和保护方面的差别。

电力半导体式感应加热装置的电路结构与其工作频率、功率无关,都是由整流器、滤波器、逆变器及其控制和保护电路组成。工作时,三相工频电流经整流,滤波器滤波后,成为平滑直流送到逆变器。逆变器是采用 电力半导体器件作为电子开关的,它将直流电变成较高频率的电流供给负载。

逆变器是感应加热装置中不可减少的组成部分,它的工作和输出功率决定了装置的频率和功率,而这两个重要参数则取决于由被加物的材质、形状、加热温度和温度分布等决定的条件和单位时间内的物料处理量。

在感应炉中,变频电流是通过感应线圈把能量输送给负载的,而感应线圈往往就是逆变器中的一个部件。感应线圈和炉料一起,显示的功率因数很低,为了提高功率因数,需要调谐电容器向感应加热线圈提供无功能量。在实际生产中,由于电容器与感应线圈的连接方式不同,构成了性能差异的各种逆变器,甚至决定了感应加热装置本身的特点和适用范围。

炉种

                   

耐火材料

 

 

坩埚无心炉

 

有芯熔炼炉

 

感应透热设备

铜和铸铁

黄铜和铜

镍合金

铜和其他

铝和铝合  

锌和锌

合金

镁和镁

合金

0.05~0.25

 

 

0.7~0.8

 

0.15~0.4

0.15~0.20

 

 

 

0.6~0.85

 

 

0.15~0.35

0.12~0.18

 

 

 

0.4~0.5

 

 

0.12~0.30

0.12~0.2

 

 

 

0.3~0.35

0.2~0.4

 

0.12~0.35

 

 

 

 

0.4~0.5

 

 

0.8~0.9       

 

 

 

 

0.3~0.4

感应炉的自然功率因数与炉体结构、炉料性质因素有关,根据对各种炉子状况的统计,其量如表所列。为便于比较,表中还列了有心熔炼炉的自然功率因数值。

7. 储能元件 C L

无论是电子管式感应加热装置,还是电力半导体式感应加热装置,都离不开储能元件,可以说,没有储能元件就没有感应加热装置。在感应加热装置中使用的储能元件有电容 C 和电感 L 两种。

电容 C 和电感 L 在电路中都能起调谐、滤波、耦合、去耦。以及能量储存和传输的作用。所不同的是,电容储存电场能,能隔离直流电流,只让交流通过 ; 而电感储存磁场能,能让直流电流须利通过,阻挡交流电流流通。

A 电容 C

a 电容器

电容器是一种能储存电能的元件。两块彼此平行而不接触的金属板就构成了一个简单的电容器。

充了电的电容器具有电能,假如你用手去碰充了电的电容器的接头,你就会受到电“打”。电容器的容量愈大,电压愈高,“打”得就愈厉害。电容器的电压在 100~200V 时,除了使人感到震悸和不舒适外,不会引起意外的后果;可是在高电压时 (100V 或更高 ) ,就有致命的危险。

电容器这种“打”人的本领是从何处来呢?

如果把两平行金属板的两端,用导线分别接到电池的正极、负极,那么接正极的金属板上带负电荷的电子就被电池正极吸引过去,而接负极的金属板,将从电池负极获得大量电子。也就是说,电池将接正极的金属板上的负电荷转移的接负极的金属板上,这就是所谓电容器“充电”。

大家知道,同性电荷相斥,异性电荷相吸。因此,无论是夺取接正极的金属板上的电子,还是将电子转移到接负极的金属板上去,电池都必须做功,这种功变成了电子的位能而储存在两金属板上。充电的时候,电子在导线中流动而形成电流,但充电不是永无休止的,当两金属板上充的电荷形成的电压与电池电压相等时,充电就停止,电路里就电流,这相当于电路断开一样,这就是电容器能隔断直流电的道理。

电容器上储存电荷的多少,与加到电容器两端的电池电压有关。电压越高,电容器所充的电荷就越多。电容器上所充电荷与充电电压之比,表示电容器的容量,用字母 C 表示,其关系式如下:

      C=U/q

式中   q----- 电容器的储电量, C;

      U------ 充电电压 ;V;

      C------ 电容器容量, F

可以证明,电池所作的功,也就是储存在电容器中的电子的位能,电能为:

              Wc=q2/2C

如果将电容器从电池上拆开,用导线将电容器两金属板接起来,在刚接通的瞬间,电路便有电流流通,这个电流与原充电时的电流方向相反。随着电流的流通,两金属板上积累的电荷逐渐减少,电压逐渐降低,这就是所谓“放电”。显然,放电是使储存在金属板上的电子的位能变成动能,随之变成热能而消耗在导线电阻中。

如果不是用导线,而是用手将充了电的电容器两极板接起来,电容就会通过人的手放电,使人感到电麻,所以,电容器“打”人是因为它通过人体放电给人于电打,而这种本领也是能量,是给它充电的电源得到的。

b 交流回路中的电容器

如果电容器的两极接上交流电,则由于交流电的大小和方向在不断地变化,电容器的两端也必然交替地进行充电和放电,因此,电路中的电流就不停地来回流动,这就是电容器能通过交流电的道理。

那么,从电容器上流过的交流电流到底是多大呢?显然,电流大小取决于电容器充放电电流的强度。如果电容器上的电荷是均匀变化而放电电流保持不变,则电容器所能给的放电电流的强度,等于用放电时间 T/2 来除电容器上储存的电荷 q,

式中    T------ 交流电变化一周的时间,称为周期;

       f------ 交流电在单位时间内变化的次数, f=T/1 ,称为频率。

事实上,人们所知道的交流电源电压 U 都是按谐波规律从零变化到 Um 的正弦波,因而电容器的电荷 q 以及电路中的电流也按谐波规律从零变化到 qm 以及 Im ,也就是说电流不是常数。考虑到电流不是常数,按精确的计算补进因数π =3.14 ,其精确的公式为:

          Im=2 π fCUm

由公式可知,电容量和外电源的频率 f 愈大,电流就愈大。根据电路原理,电压与电流振幅的比 Um/Im 称为阻抗,在此 Um/Im=1/2 π fC=Xc 。人们用 Xc 来表示常数 1/2 π fC, 并称为电容器的容抗。

大家知道,一般导线对于电源的阻抗称为“电阻”,用 R 表示。在交流电技术中,称为有效电阻,以便与容抗和下面将叙述的感抗相区别。有效电阻对于电流的阻抗作用是和电能转变成热能而损耗的事实相联系的,电流流过导线时,它的一部分电能转变成热,而消耗在导线中,其值为 I2Rt(I 为电流, t 为时间 )

电源电压为一定时,容抗和有效电阻一样能限制电路中的电流。但是容抗不会将电源的能量变成热量而耗掉,它只是不让在该频率下电容器所不能容纳的能量流过电路。

在一个四分之一周期 (0~ π /2) ( 越前电压 1/4 周期 ) ,电源对电容器充电,电能由电源转移到电容器上;下一个四分之一周期 ( π /2~ π ) 电容器放电,它把能量还给电源。如果不考虑线路的有效电阻和电容的介质损耗,当电流流过电容器时,并不耗费任何能量。无论电源功率多大,在中所能流通的能量只能是电容器充电时所能“容纳”以及在放电时“交回”电源的能量,所以,电容能限制电路中的电流。

c 电容器的主要参数

电容器的主要参数是容量、电压和功率。

(1) 容量。如前所述,电容器具有储存电荷的特性,它储存电荷的多少,与加到电容器两端的电源电压成正比,其比例常数就是电容器的容量,用字母 C 表示。

电容器的容量表明电容器储存电荷的能力。由式 1-1-10 可知,对于某一电容器来说,如果加在它两端的电压为一伏时,它能储存一库仑的电荷,则称它的电容量为一法拉。法拉一般用字母“ F ”表示。在实用中有时嫌它太大,就用微法和皮法来表示。

实际上,决定电容器的容量的因素是制造电容器的介质的介电系数和电容器极板的几何形状、几何尺寸。因此,有时电容器的单位也用长度单位来表示。厘米和法拉之间的换算关系是:一厘米电容相当于 1/9 × 10 11 次方法拉。

(2) 电压。电容器是在极板之间填以介质制成的,因此,电容器的级板间的电压有一级限值,超过此值,介质将被击穿而成短路,电容器就失去了储存电荷的特性而算报废。

为了保证人们能够正确地使用电容器,所以制造厂规定了电容器的工作电压或实验电压。工作电压是电容器能长期 ( 一般不短于 10000h) 可靠的安全的工作的高电压,用“ W.V ”表示,试验电压是电压电容器能短期 ( 一般不超过 1min) 承受不被击穿的高电压,用“ T.V ”表示。工作电压一般为试验电压的百分之五十到百分之七十。

应该指出,电容器的耐压通常都是标示直流电压,如果用在交流电路中,则应保证交流电压的峰值不应超过该标示值。当然,有的电容器 ( 例如电解电容 ) 根本就不允许用在交流回路中,那就不是耐压多少的问题了。

(3) 功率。电容器既然是用介质制造的,当电容器两端接上交流电时,必定要有功率损耗,一般被介质所吸收的有功功率为:

  式中    Pe------ 有功功率, W

           U------- 加在是电容器上的电压, V

           w------ 加于电容器的电压角频率, w=2 π f,rad/s;

            C----- 电容的容量, F

            tg ------ 电容中介质损耗角的正切;

             pc------ 电容器的无功功率, Var.

电容器中的介质损耗将使电容器发热,显然损耗太大也会使电容器过热而损坏。为了保证电容器的正常使用,必须规定其允许的损耗值。另外,由于 tg ﹠值只决定于电容器的介质材枓 ( 严格说来还与温度、湿度有关 ) ,对于某一指定电容器来说就是个定值。在实际工作中,人们感兴趣的是其无功功率 Pc ,因此一般制造厂都规定电容器的无功功率 Pc ,而不是直接给出有功功率。

后有必要指出,在一般的小功率电路中,选用电容器时只要满足容量 、电压的要求就行;而在大功率电路中,选择电容除满足容量、电压的要求外,还必须使其无功功率亦满足要求。此外,在某些特殊情况下,还对电容器的“漏电电阻” ( 因其介质不是绝对的绝缘体 ) 加以限制。例如,在自动控制系统中,常用“ PID ”调节器,其中作为微积分应用的电容就不应该选用漏电流小,漏电电阻大的电容,还有一些时延极长的延时电路中的延时电容也要求漏电电阻越大越好。对于这些情况使用者应注意选择。

d 电容器的种类

电容器的种类很多。按结构可以分为固定的电容器、半右变电容器和可变电容器。按采用的介质材料不同,可以为空气、纸介、电解、云母、瓷介、铁电和真空等电容器,近又出现一种混合电容器。为了使用方便,各种电容器又具有不同形状和大小。

在选用电容器时,除了注意电容器的容量、工作电压、形状均需满足要求外,在高频线路中应该特别注意电容是用什么介质材料制造的,电容的杂散电感大小,否则,将收不到很好的效果,甚至适得其反。

在频率超过 10 9 次方 Hz 以后,陶瓷电容器也会失效,只能用真空或空气电容器,所以在工业高频装置的高频回路 ( 一般都在 100KHz 以上 ) 内,应尽量采用云母、陶瓷、铁电、真空等介质的电容器。     

B 电感 L

a 电感线圈

线圈在电路中也是储能元件,当电荷沿导线运动时,便产生电流。电流周围总是伴有磁场,磁场具有一定的能量。当电流 I 沿线圈流过时,线圈的磁场能量,即磁能等于:

              WL=1/2 LI 的平方

式中的 L 对于每一个给定的线圈说来是常数,称为线圈的自感系数或电感。

根据电磁感应定律,任何在导体周围的磁场的变化都会在导体中引起电动势。当流过线圈的电流减少 ( 或增加时 ) 它所产生的磁场也减少 ( 或增加 ) ,由于这一磁场的变化,都会在线圈中引起感应电动势。因为电动势变发生在产生磁场的线圈中,因此,人们便把它叫做自感电动势。自感电动势的作用是反对引起这个电势的电流发生变化的。假如线圈中的电流减少,自感电动势的方向相同,力图维持电流不减少;但不管怎么样,电流的变化总是会随着外电源的变化而变化的,自感电动势不能完全阻挡这种变化,只能使这种变化延迟发生,所以说,通过电感线圈的电流不能突变。

b 交流回路中的线圈

现在假定由频率为 f 的交流电和具有电感 L 的线圈组成电路,电源的电动势按照谐波规律变化。由于线圈具有电感 L ,当电路中的电流发生变化时,会产生电动势,这电动势力图阻止电流的变化,因此,电路中的电流只能达到某一定的值 ( 忽略绕制线圈的导线有效电阻 ) 。其中 2 π fL 表示线圈电感对于频率为 f 的电流的阻挡力,人们称之为线圈的感抗,用 XL 表示。显然 XL 愈大,通过线圈的电流就愈小,而 XL 与电源的频率和线圈电感成正比。所以,在线圈相同时,电源的频率愈高,流过线圈的电流就愈小。也就是说,高频电流难于通过线圈,而低频电流容易通过。在电流流通 ( 落后于电源电压 1 4 周期 ) 的开始四分之一周期 0~ π /2 内,线圈中的电流由零逐渐增加,线圈由电源取得能量,并使之变成磁能;在下一个四分之一周期π /2~ π,电流开始逐渐减少,磁场被破坏,产生自感电动势,这一电动势将线圈的磁场能量变成电能还给电源。所以,如果忽略线圈的有效电阻的话,电感和电容一样,能限制电路中的电流,担不损耗能量。

C 线圈的主要参数

线圈中流过变化的电流时,线圈上便产生感应电动势。感应电动势的大小与线圈流过的电流变化率成正比例,其比例常数就是电感量,简称电感,用 L 表示。它表明,通过一定的电流时,线圈产生感应电势的能力,其单位是亨利,常用字母 H 表示。此单位的意义是:当线圈中通过每秒变化 1A 的电流时,能产生 1V 感应电势,此线圈中的电感就是 1H 。在实际应用中还使用更小的单位 mH 和Μ h.                                    

 

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