船舶甲板感應加熱矯平機電能變換及能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)

李俊南，方臣富，楊志東，秦梵超，陳鑫毅，孫宏偉

1.江蘇科技大學 材料科學與工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003

2.江蘇自動化研究所，江蘇 連云港 222006

0 前言

集裝箱貨船、滾裝船及郵輪等船舶甲板通常由4～8 mm較薄鋼板拼焊而成，焊接產(chǎn)生的收縮變形、失穩(wěn)波浪變形等殘余變形會導致甲板不平整，造船廠以往均采用火焰加熱矯平工藝平整甲板?；鹧婕訜岢C平工藝使用氧乙炔等可燃氣體容易引發(fā)火災、矯平質(zhì)量主要依賴操作工人經(jīng)驗，且平整效率較低。感應加熱矯平工藝采用感應加熱矯平機將三相正弦波高壓小電流交流電變換成單相高頻矩形波低壓大電流交流電，并通過電磁、磁電轉(zhuǎn)換機制在鋼板中產(chǎn)生渦流熱能和磁滯熱能，快速、精準、可控地加熱甲板特定區(qū)域，使焊接接頭應力松弛，重新調(diào)整和改善應力分布，以消除因焊接過程不均勻加熱鋼板產(chǎn)生的殘余應力變形。感應加熱矯平方法相比于傳統(tǒng)的火焰加熱矯平方法，具有加熱速度快、高效清潔、安全無污染、易實現(xiàn)自動化等優(yōu)勢［1-7］。韓飛飛［8］針對功率傳輸電纜、同軸變壓器、感應加熱器及諧振電路四個關(guān)鍵部件進行深入分析與設(shè)計，并通過仿真結(jié)合實際測試驗證了設(shè)計合理性。高宇［9］在理論分析的基礎(chǔ)上設(shè)計了感應加熱矯平機調(diào)功器，采用Buck軟開關(guān)拓撲結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了矯平機輸出功率調(diào)節(jié)。馬瑞祥［10］設(shè)計了感應加熱矯平機調(diào)頻器逆變主電路和控制電路，感應加熱器工作于準諧振狀態(tài)。

本文針對感應加熱矯平機電路結(jié)構(gòu)、調(diào)功器、變頻器、感應加熱器的原理進行介紹，設(shè)計了一套船舶甲板感應加熱矯平機電能變換及能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。實際應用結(jié)果證明該系統(tǒng)達到了預期要求。

1 感應加熱矯平機電路結(jié)構(gòu)

考慮到船廠應用環(huán)境的復雜性和工作范圍大的特點，感應加熱矯平機需要足夠大的工作半徑和長距離大功率輸電能力。船舶甲板感應加熱矯平機采用分體式、模塊化結(jié)構(gòu)，主要由研制的固定式調(diào)功器、移動式調(diào)頻器和小車式感應加熱器通過電纜串聯(lián)組成電能變換及能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，突破了不能高效長距離輸送高頻低壓大電流交流電的技術(shù)瓶頸。感應加熱矯平機由三級電能變換及能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)組成，其電路結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 感應加熱矯平機電路結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure block diagram of induction heating leveling machine

感應加熱矯平機主要由以下幾部分組成：

（1）固定式調(diào)功器：包括三相整流濾波電路、全橋軟開關(guān)逆變電路以及全波整流電路。調(diào)功器位于矯平機的最前端，電能變換過程是將三相網(wǎng)電整流濾波為直流電，再經(jīng)過全橋軟開關(guān)逆變電路變換為高頻方波交流電，然后經(jīng)過全波整流變換為可調(diào)節(jié)的低壓大電流直流電，通過控制調(diào)功器的直流輸出電壓，來調(diào)節(jié)矯平機輸出功率。然后通過同軸電纜遠距離安全傳輸?shù)蛪褐绷麟娭磷冾l器模塊。

（2）移動式變頻器：包括全橋逆變電路、中頻變壓器和諧振匹配電路。變頻器位于矯平機的中部，作用是將調(diào)功器輸出可調(diào)直流電經(jīng)過全橋逆變電路變換為高頻交流電，通過變壓器降壓后再經(jīng)諧振匹配電路將電能傳輸至感應加熱線圈；其安全和便于移動的特點有效擴大了矯平機整機工作范圍；利用頻率跟蹤技術(shù)實現(xiàn)逆變器輸出電壓和輸出電流近似同頻同相，使感應加熱器工作于準諧振狀態(tài)，實現(xiàn)高功率因數(shù)輸出。

（3）小車式感應加熱器：包括同軸變壓器和感應加熱頭。位于矯平機的末端，按照甲板感應加熱矯平工藝要求，通過操控小車式感應加熱器完成甲板矯平。工作原理為：經(jīng)同軸變壓器將變頻器輸出的高頻交流電變換為電壓更低、電流更大的高頻交流電；將感應加熱器置于甲板待加熱區(qū)域上方，高頻交流電產(chǎn)生交變磁場，磁場內(nèi)磁力線穿過甲板加熱區(qū)域時，被切割而產(chǎn)生渦流熱能和磁滯熱能，完成電能—磁能—電能—熱能的轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)加熱矯平。

2 調(diào)功器

調(diào)功器是感應加熱矯平機電能變換及能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的前級，用于功率調(diào)節(jié)，其主要功能是將三相正弦波高壓小電流交流電變換為電壓可控的低壓直流電，實現(xiàn)遠距離安全輸電。

2.1 主電路

調(diào)功器功率主電路采用飽和電感式全橋逆變軟開關(guān)拓撲結(jié)構(gòu)，其主電路如圖2所示。調(diào)功器主電路由EMI濾波電路、整流濾波電路、全橋軟開關(guān)逆變電路、中頻變壓器與全波整流電路組成。EMI濾波電路由X電容，Y電容與共模電感組成，作用是防止開關(guān)電源形成的高頻雜波污染電網(wǎng)，提升設(shè)備電磁兼容性。整流濾波電路由三相整流橋與多個鋁電解電容Cn并聯(lián)而成，R1為電解電容的放電電阻。全橋軟開關(guān)逆變部分主要由兩組4個IGBT開關(guān)管、換流電感Lr與諧振電容Cx組成。全波整流部分主要由輸出整流二極管VD5、VD6，RC緩沖電路和輸出電抗器Lf組成。

圖2 調(diào)功器主電路原理Fig.2 Schematic diagram of main circuit of power regulator

2.2 全橋軟開關(guān)電路工作方式

全橋逆變軟開關(guān)電路主要波形如圖3所示。其電能變換過程描述如下：t0～t1時段，開關(guān)管IGBT1、IGBT4導通，由于電感處于初始狀態(tài)，有很大阻抗，可以抑制原邊電流Ip增大，因此IGBT1、IGBT4實現(xiàn)零電流開通，原邊電流不夠大而次級輸出電壓為0。t1～t2時段，電感Lr處于完全飽和狀態(tài)，可近似于一段導線，其兩端電壓為0，諧振電容電壓UCx保持不變，次級整流輸出電壓Us突變?yōu)檩斎腚妷号c諧振電容電壓的和除以匝比，二極管VD5關(guān)斷，在此時間內(nèi)，Ip上升而UCx線性增加。t2～t3時段，由于C1存在，IGBT1集電極發(fā)射極電壓不能突變?yōu)榱汶妷宏P(guān)斷，此階段Ip不變。t3～t4時段，C3兩端電壓下降為0，此時IGBT3的反向并聯(lián)二極管VD3自然導通，IGBT3接收開通信號即可完成零電壓開通。t4～t5時段，Ip線性下降，UCx保持不變，初級電流Ip折算到次級電流逐漸減小，最終小于輸出電流Io，VD5與VD6同時導通，Lf處于供電狀態(tài)。t5～t6時段，Ip下降至很低的水平，此時IGBT4近似為零電流關(guān)斷。后續(xù)導通過程按照以上規(guī)律往復進行。

圖3 全橋逆變軟開關(guān)電路主要波形Fig.3 Main waveforms of full-bridge inverter soft switching circuit

3 變頻器

變頻器采用頻率跟蹤、調(diào)節(jié)及鎖相技術(shù)，保證了感應加熱矯平機輸出回路瞬時阻抗始終為準純電阻性態(tài)，極大提高了高頻低壓大電流交流電的功率因數(shù)，可將電網(wǎng)提供的電能最大化轉(zhuǎn)換成鋼板中的渦流熱能和磁滯熱能。

3.1 主電路

變頻器主電路采用全橋串聯(lián)諧振逆變拓撲結(jié)構(gòu)，電路原理如圖4所示［11］。逆變主電路由輸入濾波電路、RCD緩沖吸收電路、全橋逆變電路組成。輸入濾波電路由R1、C1～C4組成，R1是大電解電容C1～C4的泄放電阻，該電路用于濾除進入全橋逆變電路中的交流分量，并聯(lián)的大電容使逆變環(huán)節(jié)輸入為更穩(wěn)定的直流電壓，可等效為恒壓源。RCD緩沖電路由R2、C5、VD1以及R4、C10、VD2組成，用于限制功率主開關(guān)管開通和關(guān)斷瞬間的電流上升率與電壓上升率，從而保護開關(guān)管，延長使用壽命。IGBT模塊IGBT1/IGBT2、IGBT3/IGBT4構(gòu)成全橋逆變電路，實現(xiàn)直流到方波交流電的電能變換過程。

圖4 逆變主電路拓撲原理Fig.4 Inverter main circuit topology Schematic diagram

3.2 感應加熱諧振槽路動態(tài)分析

感應加熱頭的等效磁場分布情況如圖5所示。由于待矯平鋼板溫度升高，磁導率降低，加熱線圈耦合到待矯平鋼板的磁力線發(fā)生變化，等效到諧振槽路的電感量隨之發(fā)生變化，導致整個諧振槽路的諧振頻率變化。另外，加熱線圈與鋼板的距離遠近、串聯(lián)諧振槽路的寄生電感和電容大小、變壓器的漏感等都會影響諧振槽路的諧振頻率［4］。

圖5 感應加熱設(shè)備磁場分布情況Fig.5 Magnetic field distribution of induction heating equipment

串聯(lián)諧振槽路等效電路如圖6所示，R2是負載電阻對逆變器輸出的等效電阻，ΔL2是變化的加熱線圈等效到逆變器輸出端的電感，C2是諧振電容對逆變器輸出的等效電容。在整個串聯(lián)諧振等效電路中，影響諧振腔諧振頻率主要因素是諧振電感L2。

圖6 串聯(lián)諧振槽路等效電路Fig.6 Equivalent circuit diagram of series resonant grooves

將逆變器輸出方波電壓uAB進行傅立葉級數(shù)展開可得到uAB表達式：

在加熱過程中，結(jié)合串聯(lián)諧振槽路等效電路，品質(zhì)因數(shù)為Q，則：

由式（9）可以得出結(jié)論，在感應加熱過程中，等效諧振電感發(fā)生變化時，諧振槽路的諧振頻率也會發(fā)生變化，如果逆變器輸出電壓頻率不變，則其與諧振槽路的諧振頻率不一致，導致串聯(lián)諧振電流相位與逆變器輸出電壓相位不一致，最終致使輸出功率因數(shù)無法達到最大值。因此，在加熱過程中，需要同時檢測輸出電壓與輸出電流的頻率及相位，通過頻率跟蹤控制策略，使逆變器輸出電壓與輸出電流同頻同相位。

3.3 變頻器頻率跟蹤設(shè)計方案

在感應加熱輸出控制過程中采用頻率跟蹤技術(shù)，通過適當?shù)拈]環(huán)反饋控制電路，使逆變器開關(guān)管的工作頻率fs始終跟隨負載固有頻率f0的變化而變化，即fs≈f0，此時電路工作于準諧振狀態(tài)，電壓與電流相位近似相同，電路的輸出功率因數(shù)接近1，達到最大功率輸出。同時逆變電路的功率開關(guān)器件也工作在軟開關(guān)狀態(tài)，大大降低了開關(guān)損耗，簡化了開關(guān)管保護吸收電路。

頻率跟蹤通常實現(xiàn)方式是鎖相環(huán)技術(shù)，采用專用集成鎖相芯片以及PWM控制芯片來實現(xiàn)相位鎖定與頻率同步。模擬鎖相環(huán)為一個閉環(huán)負反饋控制系統(tǒng)，基本組成結(jié)構(gòu)為：鑒相器，環(huán)路濾波器，壓控振蕩器，結(jié)構(gòu)原理框如圖7所示［12］。

圖7 模擬鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)原理框Fig.7 Functional block diagram of analog phase locked loop structure

模擬鎖相環(huán)的基本工作原理為：鎖相電路在正常情況下有兩種工作狀態(tài)，首先，當回路中沒有輸入信號時，壓控振蕩器工作在自由振蕩狀態(tài)，此時的振蕩頻率稱為中心頻率fc，fc的值由壓控振蕩器的外接電容Ct和外接電阻Rt決定；其次，當回路中有輸入信號Ui(t)時，鑒相器開始工作，通過比較輸入信號Ui(t)和由壓控振蕩器輸出端采樣的反饋信號Uo(t)的相位，產(chǎn)生一個誤差電壓信號Ud(t)，送入環(huán)路濾波器濾除高頻諧波分量并進行降噪處理，產(chǎn)生平滑的直流電壓信號Uc(t)。Uc(t)作為壓控振蕩器調(diào)節(jié)輸出信號頻率的依據(jù)，控制壓控振蕩器的振蕩頻率，在其作用下，鎖相環(huán)輸出信號頻率fo與輸入信號頻率fi的差值逐漸減小，最終趨于一致。此時回路中；固有的反饋特性使得壓控振蕩器輸出信號Uo(t)與回路輸入信號Ui(t)同步或鎖定，fo等于fi，鎖定后輸入信號與反饋信號（輸出信號）之間的相位差表現(xiàn)為一個固定的電壓值。

假設(shè)輸入信號表示為：

式中 ui為輸入信號的振幅；ωi為輸入信號的角頻率；θi為輸入信號的初始相位，作為鑒相器的比較初始值使用，為常數(shù)。

輸出信號表示為：

式中 uo為輸出信號的振幅；ωo為輸出信號的角頻率；θo為輸出信號的初始相位，其值隨著時間t不斷變化。

則輸入與輸出信號的相位差可表示為：

由此可見，鎖相環(huán)實現(xiàn)了上文提到的輸出信號與環(huán)路輸入信號的相位差恒定，頻率相同。此時，fi相當于負載回路的固有頻率，fo送入PWM芯片產(chǎn)生相同頻率的PWM控制信號，控制開關(guān)管的開通與關(guān)斷，從而實現(xiàn)開關(guān)管工作頻率實時跟隨負載固有頻率變化，兩者在感應加熱的任一時刻近似相等，電路工作在諧振狀態(tài)，輸出功率達到最大化。

3.4 變頻器實現(xiàn)頻率追蹤

圖8為最大功率條件下對應的變頻器輸出電壓與負載電流波形。逆變系統(tǒng)輸出電壓為方波，電流波形為正弦波，是串聯(lián)諧振式逆變感應加熱電源的典型輸出波形。逆變器輸出電壓與電流相位基本相同，達到諧振或準諧振狀態(tài)，功率因數(shù)接近于1，獲得最大功率輸出。

圖8 逆變器輸出端電壓和負載電流波形Fig.8 Waveforms of inverter output voltage and load current

4 感應加熱器

感應加熱器主要有同軸變壓器和感應加熱頭兩個能量轉(zhuǎn)換部分，作為整個矯平機系統(tǒng)中電、磁、熱能量轉(zhuǎn)換的承載機構(gòu)，其設(shè)計好壞直接決定了最終對鋼板感應加熱矯平的效果，連接示意如圖9所示。

圖9 感應加熱耦合器Fig.9 Induction heating coupler

4.1 同軸變壓器

同軸變壓器結(jié)構(gòu)如圖10所示，最大特點是初級繞組與次級繞組共軸心，初級線圈沿著磁芯軸向繞制；次級是由前端蓋板、后端蓋板、導電板、穿過磁芯的軸心銅管和套在磁芯外側(cè)的銅筒組成，初級次級共軸心。同軸變壓器的優(yōu)點是功率密度大：共軸心結(jié)構(gòu)使原邊副邊緊密耦合，大大降低漏感；所用環(huán)形磁芯特點是磁芯損耗低，飽和磁通密度大，可以承載更高功率而不產(chǎn)生磁飽和現(xiàn)象；封閉水冷結(jié)構(gòu)內(nèi)部通兩路冷卻水，大大提升同軸變壓器功率密度，與風冷結(jié)構(gòu)相比受外部粉塵影響小，故障率低。

圖10 同軸變壓器結(jié)構(gòu)示意Fig.10 Schematic diagram of coaxial transformer structure

4.2 磁芯選型

同軸變壓器磁芯為環(huán)型磁芯，是一種閉合磁路磁芯，漏磁小，制造工藝簡單成熟，已得到廣泛應用。

根據(jù)法拉第電磁感應定律：

式中 U為電壓，N為匝數(shù)，磁通Φ=BS。磁芯選擇采用面積乘積法，其計算公式為：

式中 P為變壓器額定輸出功率（單位：W）；f為工作頻率（單位：Hz）；Aw為磁芯窗口面積，即乘填充系數(shù)后的面積（單位：cm2）；Ae為磁芯有效截面積（單位：cm2）；等式（15）兩邊在0～ton內(nèi)積分，由于U是常數(shù)，對雙極性變換器，磁通密度B由+Bm到-Bm產(chǎn)生2Bm變化，Bm為磁通密度最大值，達到磁通密度最大值意味著磁飽和，為保證磁芯工作狀態(tài)，一般取磁通密度最大值的1/4～1/3作匝數(shù)計算，這里取0.6Bm并用ΔB表示取值0.6T；J為電流密度（單位：A/mm2），取為3A/mm2；0.53為經(jīng)驗系數(shù)。

根據(jù)設(shè)計要求開關(guān)頻率為30 kHz，額定輸出功率為30 kW，考慮輸出損耗同軸變壓器裕度取1.2，即變壓器額定輸出功率為36 kW。把數(shù)據(jù)代入式（16）可得：

根據(jù)磁芯種類選取磁芯外徑D=5.7 cm，因為AP>121.7，解得N>8，取N=9。綜合磁芯材料與尺寸，最終選擇9個型號為CS572060鐵硅鋁磁環(huán)疊放作為磁芯，其飽和磁通密度為1.05 T，外徑57.2 mm，內(nèi)徑35.6 mm，高度14 mm，代入式（18）、式（19）計算得Ae=13.6 cm4，AP=135.45 cm4符合設(shè)計要求。

4.3 繞組匝數(shù)設(shè)計

設(shè)加到同軸變壓器一次繞組的電壓峰值為U1max，繞組匝數(shù)為Np，代入式（15）可得：

由于磁通Φ=BS，S是磁芯有效截面積，即為前述Ae。

得到高頻變壓器原邊匝數(shù)NP的計算公式為：

式中 U1max為考慮網(wǎng)壓波動系數(shù)（一般為1.1）后變壓器原邊輸入電壓峰值為197 V；ton為最大導通時間（單位：s）。

代入數(shù)據(jù)得：

設(shè)計同軸變壓器變比為9∶1，計算得副邊匝數(shù)約為0.85匝，綜上所述，原邊取9匝，副邊取1匝。

4.4 繞組線徑及銅筒厚度選擇

電流滲透深度是指流過交變電流的導體其內(nèi)層渦流強度數(shù)值等于表面渦流強度數(shù)值的0.368倍時，該處離導體表面的距離。電流滲透深度可由下式確定：

式中 δ為導體中的電流滲透深度（單位：mm）；f為交變電流頻率（單位：Hz）；ρ為銅導體的電阻率，根據(jù)實際取值，ρ=1.75×10-2(Ω?mm2/m)；μ0為真空磁導率，μ0=4π×10-7H/m；μr為導體的相對磁導率，為1。

當銅線流過電流頻率為30 kHz時，帶入式（25）可得滲透深度為：

所選繞組線徑需小于0.76 mm。同軸變壓器特點是外部銅筒作為變壓器次級參與功率傳輸。銅筒內(nèi)部通冷卻水實現(xiàn)同軸變壓器繞組和磁芯的散熱，同時大大提高了銅導體可承受的電流密度，變壓器副邊設(shè)計過程中銅筒厚度的選擇優(yōu)先考慮結(jié)構(gòu)強度而不是滲透深度或電流密度。綜合同軸變壓器前端感應加熱器重量，選擇2 mm厚的銅筒作為變壓器外層殼體。

4.5 感應加熱頭設(shè)計

設(shè)計的感應加熱器如圖11所示。感應加熱器呈矩形，與移動加熱器底盤形狀吻合，易于裝配。通過上方的連接機構(gòu)與同軸變壓器相連，下端線圈底面與待矯平甲板平行，方便移動加熱矯平。上下進水口和出水口分別與同軸變壓器進出水口兩端連接，感應加熱器中形成水冷回路，裝配時在接口處加入防漏墊圈，避免線圈漏水。

圖11 感應加熱耦合器設(shè)計Fig.11 Design drawing of induction heating coupler

在感應加熱過程中，由于存在尖角效應，磁力線極易集中于尖角處，高頻交流電在銅管拐角處聚集，導致熱量積聚而無法散失，甚至引發(fā)銅管開裂。所以在設(shè)計感應加熱器時為了避免發(fā)生尖角效應，在銅管拐角處設(shè)置倒角。

設(shè)計的感應加熱器耦合器采用扁長狀銅材料作為工作線圈，其內(nèi)部通一定壓力的冷卻水，通過兩條進水通道與一條出水通道實現(xiàn)冷卻水循環(huán)，在提升功率密度的同時保證銅材料工作時的結(jié)構(gòu)強度。其扁長狀加熱線圈長度依照船舶甲板矯平工藝設(shè)計，保證不與變形甲板接觸，避免短路故障。

5 工藝試驗與結(jié)果分析

5.1 能量轉(zhuǎn)換過程分析

實現(xiàn)感應加熱的原理如圖12所示，感應加熱矯平機將網(wǎng)電經(jīng)整流濾波、逆變、整流、電能傳輸、逆變、變壓與諧振匹配后，再經(jīng)過變壓后變換為高頻交流電使待加熱鋼板中產(chǎn)生渦流熱能與磁滯熱能，使焊接接頭應力松弛，應力分布重新調(diào)整和改善，以消除因焊接過程不均勻加熱鋼板產(chǎn)生的殘余應力變形。

圖12 感應加熱原理Fig.12 Schematic diagram of induction heating

感應加熱能量轉(zhuǎn)換過程如圖13所示，感應加熱器流過單相高頻矩形波低壓大電流交流電，根據(jù)安培定律，產(chǎn)生交變磁場；待加熱甲板區(qū)域成為磁路一部分，根據(jù)電磁感應定律，鋼板上形成變化的電場；變化的電場形成渦流；渦流效應最終在特定深度產(chǎn)生熱量。

圖13 感應加熱能量轉(zhuǎn)換過程Fig.13 Induction heating energy transformation process diagram

根據(jù)法拉第電磁感應定律，感應電動勢e為：

式中R為渦流回路等效電阻，XL為渦流回路等效感抗。渦流對工件進行加熱，其時間t內(nèi)產(chǎn)生的焦耳熱q為：

由式（27）～式（32）可以得出結(jié)論：感應電動勢的大小與頻率、磁場強度和線圈匝數(shù)成正比。使工件獲得更大熱量而快速升溫的方法是增大渦流，而增大渦流一般有增大感應線圈上的電流和提高電源頻率兩個途徑［13］。

5.2 橫向收縮量試驗

試驗材料為800 mm×600 mm鋼板若干，將感應線圈放置在距離鋼板下邊緣50 mm的中心位置，并且在感應加熱器線圈加熱位置兩側(cè)相距30 mm的位置設(shè)定7個測試點。在感應加熱前后分別測試兩側(cè)測試點距離。試驗測試點分布如圖14所示。實驗結(jié)果如圖15所示。

圖14 鋼板感應加熱實驗測量點分布示意Fig.14 Schematic diagram of measuring point distribution of steel plate induction heating experiment

圖15 鋼板在不同感應加熱時間下橫向收縮量變化曲線Fig.15 Transverse shrinkage curve of steel plate under different in‐duction heating time

變化規(guī)律總結(jié)為：

（1）鋼板在感應加熱過程中，在未達到熱態(tài)渦流透入深度前，加熱方式都為透入式，并且在電流頻率一定的條件下，其加熱層透入深度是一定的。隨著加熱時間的延長，加熱深度達到熱態(tài)渦流透入深度后，加熱方式變?yōu)闊醾鲗В瑹崃繌母袘訜釋觽鲗У戒摪迤渌醇訜岬牟糠?。在整個加熱過程中，鋼板各部分存在的溫度差導致熱應力變形，加熱時間長，鋼板溫度差變大，熱應力變形就逐漸增大。隨著加熱時間變長，鋼板的橫向收縮量變大，如圖15所示。

（2）在感應加熱過程中，被加熱的矩形工件存在著端部效應，即矩形工件的端部溫度低于中心溫度。在本實驗中小車式感應加熱器兩端附近的橫向收縮量明顯小于中間部分，這是由于感應加熱器線圈端部溫度低于中部溫度而產(chǎn)生的熱應力分布不均現(xiàn)象。

5.3 溫度變化試驗

在空氣間隙5 mm、電流頻率30 kHz、功率25 kW條件下進行感應加熱實驗，利用手持式測溫儀記錄測試點在加熱180 s的實驗過程中每10 s的實時溫度變化，如圖16所示，溫升曲線大致呈線性。

圖16 鋼板在感應加熱180 s內(nèi)測溫點的溫度變化曲線Fig. 16 Temperature curve of of steel plate measured points within 180 s induction heating

5.4 船廠應用試驗

在船廠實際應用場地使用樣機按照矯平工藝對5 mm甲板進行矯平工藝試驗。矯平機設(shè)備實物如圖17所示，船廠實際應用如圖18所示，移動式調(diào)頻器擴大了矯平機工作范圍，小車式感應加熱器可按需移動至甲板區(qū)域施行感應加熱矯平工藝，方便收納、移動和作業(yè)。

圖17 船舶甲板感應加熱矯平機設(shè)備Fig.17 Ship deck induction heating leveling machine

圖18 感應加熱矯平機船廠應用Fig.18 Application of induction heating leveling machine in shipyard

6 結(jié)論

（1）研究了調(diào)功器的基本原理，設(shè)計了全橋逆變軟開關(guān)電路，實現(xiàn)了高效功率調(diào)節(jié)，工作可靠性高，達到設(shè)計要求。

（2）研究了變頻器的基本原理，設(shè)計了全橋逆變主電路拓撲結(jié)構(gòu)；分析常用頻率跟蹤控制策略及工作原理，確定頻率跟蹤總體方案的同時設(shè)計了基于鎖相環(huán)頻率跟蹤系統(tǒng)，設(shè)計的頻率跟蹤電路能有效地實現(xiàn)頻率鎖定與頻率同步。

（3）研究了感應加熱器的基本原理，設(shè)計了具有高功率密度通水冷卻的同軸變壓器和適應于甲板感應加熱矯平工藝的感應加熱頭。

（4）實驗室測試和造船廠應用表明，船舶甲板感應加熱矯平機電能變換及能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，采用檢測輸出高頻低壓大電流交流電的電壓、電流相位差，動態(tài)調(diào)整調(diào)頻器逆變頻率的跟蹤、調(diào)節(jié)及鎖相技術(shù)，可以保證矯平機始終工作在準諧振狀態(tài)，小車式感應加熱器輸出高頻低壓大電流交流電的功率因數(shù)接近1。