電磁感應(yīng)器加熱技術(shù)的應(yīng)用與研究

胡焌豪

摘 要：從20世紀(jì)初開始，電磁感應(yīng)加熱技術(shù)就開始應(yīng)用于工業(yè)的生產(chǎn)過程，電磁感應(yīng)加熱具有加熱速度快、熱損耗小、加熱效率高以及容易控制等特點，現(xiàn)在社會對于環(huán)境污染的要求更加苛刻，電磁感應(yīng)對于環(huán)境的污染較傳統(tǒng)的加熱方法減少很多，基于它的各種優(yōu)點，應(yīng)用范圍更加廣泛，得到了迅速的發(fā)展，存在于加工行業(yè)的各方面，同時在熔煉、鑄造、彎管、熱鍛、焊接、單晶生長、表面熱處理以及半導(dǎo)體的區(qū)域提純、外延等熱加工工藝中都有應(yīng)用。就連現(xiàn)在家用的微波爐也是利用電磁感應(yīng)加熱技術(shù)。該文通過對傳統(tǒng)的加熱方法與電磁感應(yīng)加熱的方法進(jìn)行對比，得出該方法的優(yōu)勢，并進(jìn)一步說明了電磁感應(yīng)的溫度控制原理。

關(guān)鍵詞：電磁感應(yīng)加熱 溫度控制 模糊算法

中圖分類號：TQ320.52 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）10（a）-0050-02

1 電磁感應(yīng)加熱技術(shù)的應(yīng)用

現(xiàn)在社會需求的增長，電磁感應(yīng)加熱技術(shù)越來越廣泛地運(yùn)用到各行各業(yè)中。大致可以歸類為以下幾個領(lǐng)域：第一，食品、醫(yī)療、化工、塑機(jī)械加熱、木材、建筑等節(jié)能改造方面都有用，在這些方面使用電磁感應(yīng)加熱代替了傳統(tǒng)的電阻加熱；第二，機(jī)械行業(yè)，電磁感應(yīng)加熱中的高頻電磁加熱可以應(yīng)用于金屬表面的熱處理，也可以用于器件在加工前的透熱，這種方法與傳統(tǒng)的方法相比有很大的優(yōu)勢；第三，紡織印染方面，印染時的原料需要加熱，利用電磁感應(yīng)加熱，加熱速度快了，就使得原料的利用率提高了，同時可以適應(yīng)不同燃料的不同溫度要求；第四，輕工行業(yè)，在輕工行業(yè)用于食品或者塑料產(chǎn)品的封口，這種方式的加熱大大加大了生產(chǎn)效率，還可以節(jié)省生產(chǎn)空間。

電磁感應(yīng)加熱技術(shù)的應(yīng)用，可以提高生產(chǎn)產(chǎn)品的速度同時也能降低生產(chǎn)成本，也提升了設(shè)備制造行業(yè)的生產(chǎn)水平，在傳統(tǒng)行業(yè)中越來越廣泛地被接受和使用。

2 電磁感應(yīng)加熱的原理

電磁感應(yīng)技術(shù)就是我們通常所說的IH技術(shù)，它建立的基礎(chǔ)就是法拉第感應(yīng)定律。電磁感應(yīng)的加熱原理就是利用高頻的交變電流在通過線圈時產(chǎn)生磁場，這種交變的磁場在通過金屬工件時產(chǎn)生渦流，產(chǎn)生渦流的條件就是金屬工件需要是加熱后的件，金屬的電阻相對較小，這樣較低的電動勢就可以產(chǎn)生很強(qiáng)的渦電流，這樣就在金屬件內(nèi)部產(chǎn)生了很大的焦耳熱，這樣金屬件的溫度自己就升高了，完成了一個自發(fā)熱的過程，這個自發(fā)熱的速度非常快。電磁感應(yīng)加熱利用的就是電流的做功，將電能轉(zhuǎn)化為被加熱體本身的內(nèi)能，使被加熱件的溫度升高，從而達(dá)到加熱的目的。

3 傳統(tǒng)加熱與電磁感應(yīng)加熱的對比

3.1 傳統(tǒng)的加熱

用加熱注射劑來舉例傳統(tǒng)加熱存在的弊端，傳統(tǒng)的注射劑加熱一般采用電阻的方式進(jìn)行加熱，電阻加熱存在的缺點如下：第一，工作環(huán)境惡劣，傳統(tǒng)加熱利用的是電阻加熱，在加熱過程中向環(huán)境中散發(fā)大量的熱量，使得操作環(huán)境溫度升高，尤其在夏季的加熱時，現(xiàn)場的工作環(huán)境是非常惡劣的，工人需要降溫，降溫過程又造成了能源的浪費，加大了成本；第二，加熱效率低，加熱過程中熱損大，電阻加熱時都是電阻絲繞制成的電阻，這樣的電阻外部也散熱，造成了熱能的損失，在傳導(dǎo)的過程中由于過程繁瑣，也損耗掉了很大的熱量，經(jīng)過統(tǒng)計只有25%左右的熱能得到了利用，熱能的效率很低；第三，電阻的使用時間短，電阻發(fā)熱對電阻的損耗很大，繞制的電阻線長時間加熱很容易發(fā)生斷裂，這樣增加了工人的工作量，需要定時地對電阻進(jìn)行檢查和維護(hù)，維修和更換的費用都很大，加熱的產(chǎn)品可能由于沒有完成固定溫度，報廢率也增大了，所以各方面的費用都將增大。

3.2 電磁感應(yīng)加熱

第一，與傳統(tǒng)的加熱方法相比，電磁感應(yīng)加熱是自發(fā)熱的現(xiàn)象，不會對環(huán)境造成很大的影響，工人的工作環(huán)境也得到了很大程度的改善，也減少了為環(huán)境降溫的費用；第二，電磁感應(yīng)的熱損耗小，節(jié)能效果好，電磁感應(yīng)發(fā)熱過程感應(yīng)線圈與被加熱的金屬件之間是沒有直接接觸的，能量的傳遞是通過電磁感應(yīng)進(jìn)行傳遞的，在傳導(dǎo)的過程中減少了很多熱能的損耗，效率提高很多，可以達(dá)到85%左右，比傳統(tǒng)的加熱提高了很多；第三，金屬件溫度提升速度快，金屬件的電阻小，所以較小的電動勢就能產(chǎn)生較強(qiáng)的渦電流，焦耳熱產(chǎn)生得也多，熱量散失得少，所以金屬件升溫很快；與傳統(tǒng)的電阻加熱相比，使用壽命增長了，電磁感應(yīng)的加熱工具是特制的線圈和半導(dǎo)體的器件，線圈在工作時的溫度并不像電阻絲產(chǎn)生那么高的溫度，使用壽命大大提高了。電磁感應(yīng)加熱的加熱效率高，所以產(chǎn)品的產(chǎn)量也高，所以無論從損耗還是生產(chǎn)效率上都得到了提高。

綜上所述，電磁感應(yīng)加熱具有的優(yōu)勢是非常明顯的，加熱速度比其他任何的媒介加熱速度都快，而且在加熱時損耗較小，加熱時間較短，啟動方便，熱能的損耗較小，不用時，也可以切斷供電電源，沒有任何多余的損耗，電能的利用率又高，是新時期加熱的最好選擇。

4 電磁感應(yīng)加熱技術(shù)的實現(xiàn)

4.1 電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)的組成

電磁加熱系統(tǒng)主要由電磁加熱控制板和加熱線圈兩部分組成。加熱輸出接觸器的輸出端經(jīng)過電磁加熱控制板將交流電進(jìn)行整流、濾波、逆變成高頻的交流電，再通過鏈接線圈加到電磁的加熱線圈上，高頻的交流電通過保溫材料作用于被加熱體上，從而達(dá)到被加熱體的自發(fā)熱過程。還可以用另外一種方式，將電源直接輸入到電磁加熱控制板，加熱輸出接觸器直接通過電磁加熱控制器的方式直接控制電磁加熱控制板的工作狀態(tài)。

4.2 對輸出功率的控制

對于電磁感應(yīng)加熱輸出功率的控制有很多種方法，其中感應(yīng)電源有兩種控制方法：即負(fù)載串聯(lián)諧振型和負(fù)載并聯(lián)諧振型，串聯(lián)諧振感應(yīng)加熱電源較并聯(lián)的有很多優(yōu)勢，比如：啟動時比較迅速、可以使用體積相對較小的電感和整流，可以使用不空整流等。加熱過程有特定需要達(dá)到的目的，所以感應(yīng)加熱電源需要控制輸出功率，使功率保持到一個可調(diào)節(jié)的范圍內(nèi)。串聯(lián)諧振電源的調(diào)功方式有兩大類：直流側(cè)調(diào)壓調(diào)功和逆變側(cè)調(diào)功，其中直流側(cè)調(diào)壓調(diào)功中又包括兩種方式：是采用晶閘管全控整流；另一種是不控整流后用斬波器進(jìn)行調(diào)壓。逆變側(cè)調(diào)功的方法就比較多，比如：通過脈沖寬度調(diào)節(jié)、通過電壓調(diào)節(jié)、通過脈沖頻率調(diào)節(jié)、通過脈沖密度調(diào)節(jié)、通過移相調(diào)節(jié)、通過改變功率因素調(diào)節(jié)以及以上各種方法的綜合調(diào)節(jié)法等。通過這些方法的調(diào)節(jié)都可以達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的。在加熱一個物體，整個過程可能需要不同的溫度，所以要求在不同的階段保證不同的溫度。現(xiàn)在用調(diào)節(jié)脈沖密度調(diào)功法調(diào)節(jié)溫度的方法是使用較多的一種，這種方法可以直接完成對輸出電源的電流幅值進(jìn)行控制，通過實驗既定的模型，通過建立在某一特定電流幅值的基礎(chǔ)上，建立T=f（t）即溫度與時間的函數(shù)關(guān)系，實現(xiàn)溫度的分段控制，以達(dá)到各時間段不同溫度的要求。

4.3 溫度控制的算法

目前使用較多的一種算法就是模糊控制算法，這種算法具有大慣性、非線性、有滯后、相鄰段有較強(qiáng)偶合等特點，這種算法可以模擬人腦進(jìn)行思維、判斷以及推理的過程，可以將人的經(jīng)驗等用語言的方式表達(dá)出來，再通過計算機(jī)的處理，完成輸入和輸出的建模過程，是一個智能化的實現(xiàn)過程。模糊算法的數(shù)據(jù)庫錄入的是專家的語言信息，并在使用時將這種語言轉(zhuǎn)化為控制策略，可以解決實際使用過程中的各種問題，有些復(fù)雜的數(shù)據(jù)模型需要建立精確的數(shù)學(xué)模型，這種算法可以解決這些復(fù)雜的建模過程。這種方法很好地完成了推理系統(tǒng)與控制系統(tǒng)間以及模糊數(shù)據(jù)和精確數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化問題。溫度的控制就是一個不確定的數(shù)據(jù)模型，通過電磁感應(yīng)的輸出功率和模糊算法的結(jié)合就可以完成溫度的精確控制，控制精度可以上下不相差1 ℃。

5 結(jié)語

傳統(tǒng)的加熱方式通常是利用電熱圈來加熱，通過接觸傳導(dǎo)，實現(xiàn)被加熱體的加熱過程。但是這個過程有大量的熱量是散發(fā)到空氣中的，熱量的利用率較低，而且工作環(huán)境也非常惡劣，加熱過程的溫度也是沒法實時控制的。而電磁感應(yīng)加熱的方式實現(xiàn)了節(jié)能、加熱效率和升溫速度快等各方面?zhèn)鹘y(tǒng)加熱方式滿足不了的優(yōu)點。電磁感應(yīng)在輸出的過程可以通過控制功率的方法同模糊算法相結(jié)合實現(xiàn)溫度的準(zhǔn)確可控性。這也滿足了現(xiàn)代社會高效、節(jié)能、環(huán)保等各方面的要求，所以電磁感應(yīng)加熱方式在各行各業(yè)都將替代傳統(tǒng)的電阻絲加熱方式。

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