电磁感应加热

电磁感应加热（精选九篇）

电磁感应加热 篇1

电磁感应加热式蒸汽发生器 (以下简称感应蒸发器) 是利用电磁感应的原理将水加热成饱和或过热蒸汽的发生装置。

工作原理如图1所示, 由感应加热电源、电磁感应加热组件组成, 感应加热电源包括整流器、滤波器、逆变器和变压器, 电磁感应加热组件包括感应元件、保温层、换热元件。

感应蒸发器由于具有热效率高、功率密度大、操作灵活、节能环保等优点而倍受关注, 可应用在缺少蒸汽锅炉的中小企业或流动工作场合等。

有关电磁感应加热方面的研究几乎没有, 本文运用感应加热器的设计理论[1]对电磁感应元件进行电工计算和结构设计, 借鉴相关电磁耦合数值模拟方面的经验作为指导[2,3], 对电磁感应加热蒸汽发生器的核心部件电磁感应加热组件, 进行电磁耦合的数值分析, 旨在分析研究沸腾换热元件内磁场分布规律, 找出符合实际加热工况的电磁感应加热元件结构, 实现最优化并满足工程应用的需要。

1 数值分析的有限元模型

1.1 数值分析计算的三种方案

方案一为在等径的换热元件上缠绕匝距相等的感应线圈, 线圈均匀分布;方案二为在等径换热元件上缠绕匝距不等的感应线圈, 分为感应元件1和感应元件二, 其中感应元件1的匝距小, 线圈较密, 感应元件2的匝距大, 线圈较稀疏;方案三中的换热元件为一个进口直径较小出口直径较大的变径管, 感应元件也是一个与换热元件相适应的变径线圈, 其匝距相等, 线圈均匀分布。如图2示。

1.2 物理模型机结构参数

本文数值模拟研究三种不同结构换热元件的磁通和磁感应强度的分布, 通过对比分析得出最优化方案, 结构及结构参数如下。

1.3 建模及划分网格

本文针对磁场分布的数值模拟, 由于有限元模型不太复杂, 采用2D空间下建模及网格划分即可达到求解的精度, 建模、划分网格如图4所示。

1.4 数值分析的边界条件

本文数值模拟计算所需要的边界条件包括对感应元件、保温层、换热元件材料的选取以及对感应元件参数的定义, 具体边界条件如表2所示。

2 数值计算结果与分析

2.1 两种定位管芯材料的数值模拟对比分析

图5为方案一中不锈钢和碳钢两种定位管芯材料下, 沸腾换热元件内磁通密度的分布对比。从图5中可以看出定位管芯为不锈钢材料时, 磁通密度集中在靠近感应线圈的换热元件部位, 定位管芯处的磁通密度较小, 当定位管芯为碳钢材料时, 磁通密度的分布相比前者更为均匀, 在定位管芯上磁通密度相比前者更大;磁通分布越密, 磁通密度越大, 则储存的电磁能越大, 说明在其他条件相同时, 磁导率较大的碳钢芯比磁导率较小的不锈钢芯在磁场分布上更为均匀, 更符合换热要求。

图6显示的是方案一中两种管芯的磁通密度在换热元件和定位管芯上沿轴向的变化曲线。

图6 (a) 所示为换热元件上磁通密度沿轴向的分布规律, 对于不锈钢芯, 磁通密度沿轴向距离的不断增大, 呈现先急剧增大再缓慢增大, 而后缓慢减小之后再急剧减小的倒U型分布规律, 最大值出现在中心点, 最小值在进出口;对于碳钢芯, 磁通密度沿轴向距离的不断增大, 呈现先急剧增大再缓慢减小, 而后缓慢增加之后再急剧减小的M型分布规律, 最大值出现在距离进出口较近处关于中心对称的两个点, 最小值出现在进出口处。

图6 (b) 所示为定位管芯上磁通密度沿轴向的分布规律, 沿轴向距离的不断增大, 磁通密度的分布呈现先增大后减小的抛物线分布规律, 在进出口磁通密度最小, 在中心点最大, 碳钢的磁通密度略大于不锈钢芯的磁通密度。

2.2 三种方案结构的数值模拟对比分析

图7所示的是三种方案的磁场分布云图对比, 可以看出方案一中的分布呈现进出口稀疏, 中间密集的状态;方案二的密集区主要在前半段, 稀疏区主要在后半段, 具有优化作用, 即前半段传热效果好, 需要很大的热流密度, 后半段传热差, 需要较小的热流密度;方案三中的分布基本呈现和方案一的类似分布, 密集处为中间区域, 稀疏处为进出口区域, 但后半段由于变径作用增大了传热面积, 在吸收电磁能基本不变的情况下, 减小了热流密度, 相比方案一具有改进优化作用。

图8所示为三种方案中换热元件和定位管芯上的磁通密度沿轴向的变化曲线。

图8 (a) 为换热元件上磁通密度沿轴向的变化曲线, 可以看出方案一和方案三的曲线趋势基本相同, 呈现M型的分布规律, 最大值出现在距离进出口较近并关于中心点对称的两个点, 最小值出现在两端;方案二中的磁通密度分布在前半段较大呈抛物线分布, 在后半段较小分布比较平缓。

图8 (b) 为定位管芯上磁通密度沿轴向的变化曲线, 可以看出三种方案曲线的分布大致相同, 磁通密度的分布呈现抛物线分布规律, 在进出口磁通密度最小, 在中心点最大;在前半段方案二的磁通密度略高于方案一和方案三, 在前半段方案一、方案二、方案三的磁通密度逐渐递减但差别不大。

3 结论

(1) 对不锈钢和碳钢两种定位管芯进行数值模拟计算, 对计算结果对比分析得出碳钢芯的磁场分布相比不锈钢芯更加均匀, 电磁能分布更加均匀, 更符合工程换热的要求, 为优化方案。

(2) 对三种不同结构的电磁感应加热组件进行数值模拟计算, 对计算结果分析得出方案二结构的电磁能分布前多后少, 更加符合工程换热的需要, 为优化方案, 作为新型电磁感应加热组件。

参考文献

[1]付正博.感应加热与节能[M].北京:机械工业出版社, 2008.

[2]周超, 褚晓锐.500 kV变电站工频电磁场数值分析[J].贵州电力技术, 2011, 14 (12) :4-8.

[3]吴永霞, 张甲, 梁旭彪, 等.大型汽轮发电机端部电磁场数值分析[J].机电工程, 2012, 29 (3) :249-252.

感应加热是什么？ 篇2

感应加热是什么?

答：感应加热：工件放到感应器内，感应器一般是输入中频或高频交流电(300-300000Hz或更高)的空心铜管，产生交变磁场在工件中产生出同频率的感应电流，这种感应电流在工件的分布是不均匀的，在表面强，而在内部很弱，到心部接近于0，利用这个集肤效应，可使工件表面迅速加热，在几秒钟内表面温度上升到800-1000oC，而心部温度升高很小，

感应加热感应加热多数用于工业金属零件表面淬火、金属熔炼、棒料透热、刀具焊接等多个领域，是使工件内部产生一定的感应电流，形成涡流，迅速加热零件表面，达到表面迅速加热，甚至透热融化的效果。

高频感应加热电源相位跟踪系统 篇3

摘要：针对感应加热电源工作在高频状态时，存在相位跟踪困难、工作功率小和工作状态不稳定等问题，采用基于TMS320F2812的高频感应加热电源的相位跟踪方法，使负载等效阻抗时刻处于弱感性状态，解决了感应加热电源工作在高频状态所遇到的问题。设计了功率MOSFET的驱动电路、电压和电流相位信号的采集与处理电路，给出了TMS320F2812处理负载电压相位信号和电流相位信号的方法和产生移相PwM信号的方法，最后搭建实验平台进行了实验验证。实验结果表明，所设计的相位信号处理电路能够快速稳定地向TMs320F2812发送电压和电流的相位信号，且延迟小；TMS320F2812可以生成移相PwM信号，其移相范围大、工作稳定。endprint

摘要：针对感应加热电源工作在高频状态时，存在相位跟踪困难、工作功率小和工作状态不稳定等问题，采用基于TMS320F2812的高频感应加热电源的相位跟踪方法，使负载等效阻抗时刻处于弱感性状态，解决了感应加热电源工作在高频状态所遇到的问题。设计了功率MOSFET的驱动电路、电压和电流相位信号的采集与处理电路，给出了TMS320F2812处理负载电压相位信号和电流相位信号的方法和产生移相PwM信号的方法，最后搭建实验平台进行了实验验证。实验结果表明，所设计的相位信号处理电路能够快速稳定地向TMs320F2812发送电压和电流的相位信号，且延迟小；TMS320F2812可以生成移相PwM信号，其移相范围大、工作稳定。endprint

摘要：针对感应加热电源工作在高频状态时，存在相位跟踪困难、工作功率小和工作状态不稳定等问题，采用基于TMS320F2812的高频感应加热电源的相位跟踪方法，使负载等效阻抗时刻处于弱感性状态，解决了感应加热电源工作在高频状态所遇到的问题。设计了功率MOSFET的驱动电路、电压和电流相位信号的采集与处理电路，给出了TMS320F2812处理负载电压相位信号和电流相位信号的方法和产生移相PwM信号的方法，最后搭建实验平台进行了实验验证。实验结果表明，所设计的相位信号处理电路能够快速稳定地向TMs320F2812发送电压和电流的相位信号，且延迟小；TMS320F2812可以生成移相PwM信号，其移相范围大、工作稳定。endprint

电磁感应加热 篇4

现在很多电缆生产企业使用的挤出机的加热系统普遍是利用电阻线圈对料筒中的塑料进行加热, 这种加热方式会出现很多问题, 比如, 由于只用电阻丝紧贴料筒的一面能把热量传递到料筒内用于加热塑料, 而电阻线圈外侧的热量很大一部分都散失在空气中, 使得周围环境温度升高, 工人工作环境变得恶劣;使用电阻线圈加热, 加热温度很高, 电阻线圈经常会因为温度过高而烧断, 需要经常更换, 给维修带来麻烦[5]。

本文介绍对电缆挤出机进行电磁加热进行节能改造, 可以对料筒内部进行加热, 减少了热量的散失, 热能利用率得到提高, 同时, 由于不需要使用电阻线圈, 减少了成本的投入, 既节能又减少支出。

1 电磁加热技术的原理及组成

1.1 电磁加热的原理

电磁加热技术又称IH (Induction Heating) 技术, 利用了法拉第电磁感应定律, 将电能转换为磁能, 再将磁能转换为电能, 最后再将电能转换为热能[6]。本质上就是通过电磁加热的控制电路, 将市电通过整流、逆变、谐振产生快速变化的高频交流电, 作用在线圈上产生快速变化的交变磁场, 磁场作用在待加热的金属工件时, 产生涡流, 使得金属内部原子无规则剧烈运动, 产生热量。

1.2 电磁加热器的组成

电磁加热器将市电通过三相整流滤波后, 利用全桥逆变电路和负载电路在线圈中产生高速变化的交变磁场, 将线圈缠绕在料筒上, 使料筒在磁场的作用下产生涡流, 对料筒内的原料进行加热。

三相整流滤波电路利用三相桥式全控整流电路, 将市电380V电压整流成脉动的直流电压, 再利用EMI滤波电路对电路进行滤波, 得到两端近乎平滑的直流电压[1]。

全桥逆变电路是利用单片集成PWM控制芯片 (SG3525) 来调节脉宽调制方波 (PWM) 控制开关管IGBT的开通和关断, 最终将直流电压逆变成中频方波电压[2]。

负载电路是由电感线圈L和电容C构成的串联谐振电路, 电感线圈L的作用是将电能转换成磁能, 电容C的作用是补偿电路来提高功率因数, 串联谐振电路的作用是将中频方波电压进行转化, 得到近似于正弦波的负载电流。

1.3 电磁加热技术存在的问题

1) 由于电磁加热技术刚兴起不久, 作为一项新型产业, 得到很多人的重视, 但一些没有技术实力的厂家, 直接照搬民用电磁炉的控制板, 将其运用在电缆挤出机上, 使得挤出机频频发生故障, 给正常生产带来许多不便。

2) 用电磁加热装置替换掉传统的电阻线圈加热, 由于不能长期可靠运行降温措施, 例如, 风冷、水冷, 所以不能很好的实现对挤出机温度的控制, 机器稳定性有所欠缺。

3) 由于电磁加热技术利用到电磁波, 有人担心电磁波辐射会对人体造成伤害, 根据IEEE规定电磁辐射范围, 了解到:低于0.1MHz的磁场, 对人体都不会造成伤害。由于电磁加热的频率在10-20KHz, 低于0.1MHz, 所以大可不必担心电磁波辐射会损害人的健康。

2 电磁加热技术在电缆挤出机改造上的应用

对电缆挤出机进行电磁加热改造的主要目的就是为了节约电能, 减少电费, 据某塑胶行业理事会调查统计:塑料制品的成本当中因耗电而产生的电费占到了将近一半, 制约着企业经济进一步的发展。此外, 使用电阻线圈加热, 热量一部分会散失到周围环境中, 会使周围温度上升3-5℃, 如果在炎热的夏天, 会使得工人难以忍受, 工作效率下降, 若利用风扇、空调等降温措施, 又会增加企业电费的支出。针对以上问题, 可以对电缆挤出机进行电磁加热改造来改善[3]。

对电缆挤出机改造分为以下以及步骤:

进行改造前, 需要先准备可能会用到的材料:高温棉、高温布、环氧板、高温线、控制器、电流钳表和万用表等必备工具。

1) 首先应当在对挤出机改造前再精确测量下其加热总功率, 以便能够选择合适功率的控制板, 还需要测量下挤出机的预热时间, 以备后续作比较。

2) 将挤出机上的电阻加热线圈摘下, 并做上记号。

3) 对料筒表面进行清洁, 清洁完毕后, 使用工具对料筒的各种尺寸进行测量, 包括料筒的管径、需要被加热区域的个数、每个被加热区域的长度, 结合第一步测量的原功率, 挑选合适的电磁加热控制器。

4) 将高温棉均匀包裹在料筒外壁上, 再用高温布将其裹紧, 最后再将环氧板包裹在上面, 为了保证产生的磁场均匀, 还得好正保温材料厚度也均匀, 需要说明的是保温材料对于不同的电磁加热控制器要求也是不同的, 使用时应当量体裁衣。

5) 将高温线缠绕在料筒外壁的环氧板上, 高温线的选取也需要根据使用的是哪种型号的控制器, 确定了规格和长度后方可使用。

6) 将高温线圈连接到电磁加热控制器的输出端, 再给电磁加热控制器上电, 开机后可以进行调试, 调试过程中需要注意, 建议将电流调到额定工作电流的百分之八十左右, 延长设备的使用寿命。

7) 挤出机改造后需再冷机测一次加热总功率, 再次测量挤出机的预热时间, 和改造前进行比较。

3 改造前后比较

1) 改造后的挤出机, 从料筒到机头采用分区加热, 5段逐步升温, 缩短了热传递时间和预热时间, 传统的电阻线圈加热靠自身发热, 再把热量传递给料筒, 还有一部分散失到外界, 热效率仅为50%-60%, 而改造后的挤出机热效率可高达93%以上。

2) 改造前使用电阻线圈进行加热, 电阻线圈外壁温度, 可能达到200摄氏度左右, 改造后的料筒外壁温度很低, 只有四五十度左右, 线圈不易老化, 使用寿命增长, 减少不必要的二次投入, 同时工人直接接触料筒外壁也不会感觉烫, 可以避免工人被烫伤。

3) 使用电磁加热技术后, 主电机上的电流减小, 螺杆转动的轴功减少, 从而电机的轴功率相应减小, 间接延长了电机的使用寿命。

4) 改造后最直接的节能效果就是减少了耗电量, 节省了电费, 节电率可达到30%-70%不等, 间接减少了能源的消耗和二氧化碳的排放, 节能环保, 真正做到绿色低碳的目标。

4 结束语

就目前市场, 在塑料机械行业使用电磁加热技术改造的越来越广泛, 鉴于其节电效果显著, 热效率很高, 也许在不就的将来, 电磁加热方式将逐步代替传统的电阻线圈加热方式, 给塑料机械行业带来一次革命, 给塑料加工企业带来更大的利润。

国家正在倡导节能减排, 电磁加热技术相比于电阻线圈加热, 更加的节能环保, 绿色低碳, 未来一定能够得到很好的利用。

摘要：本文针对目前电缆挤出机的加热方式使用的仍是传统的电阻丝、电阻线圈加热, 提出一种节能改造方法, 利用电磁加热技术对电缆挤出机进行改造, 这种加热方法相比较于传统的加热方法, 可以有效地规避传统的加热方法存在的一些问题:热能利用率低, 热损耗大, 能源浪费;使用寿命短, 需要经常维护。使用电磁加热技术后可以提高热效率, 节约电费, 不需要经常更换电阻线圈, 减少二次投入, 间接为公司增加利润。

关键词：电缆挤出机,电磁加热,节能改造

参考文献

[1]朱绍军.电磁感应加热在热整理机中的应用[D].浙江:浙江大学, 2012:15-22.

[2]谢杨彪.塑机螺杆电磁加热器研究与开发[D].浙江:浙江海洋大学, 2013:6-29.

[3]曾敏.电磁加热节电技术在塑胶行业加热系统中的应用[J].电工世界, 2013:43-44.

[4]孔智勇.电磁加热节能技术在塑料挤出机应用探讨[J].国外塑料, 2014, 32 (11) :36-38.

电磁感应加热 篇5

关键词：轴类件,电磁感应,数值模拟,接触式测温

引言

轴类件作为机械装备关键部件, 工作过程中多承受弯矩和扭矩等复杂组合载荷, 为使其满足服役力学性能和表面耐磨性等要求, 在实际生产中广泛采用各类热处理工艺来保证轴类件的特殊性能要求[1]。电磁感应加热, 以其加热速度快、温度分布均匀、内应力差异小等优点而广泛应用于表面淬火等热处理工艺中[2,3,4]。实践表明, 淬火工件的温度梯度直接影响产品最终组织类型和应力分布。然而, 感应加热过程中存在的强电磁场给传统热电偶接触测温方法带来很大困难, 而由于工件表面氧化铁皮会使红外波形和辐射率发生改变。目前, 常用的红外表面测温方法也存在一定的局限性[5,6]。

为此, 文章提出一种基于热电偶接触式温度测量的电磁感应测温方法, 通过不同时刻断电瞬间的无磁干扰以及时间离散重复测试数据重构, 实现了感应加热过程试件内部温度梯度的精确监测。并结合感应加热理论与传热学理论, 采用有限元法建立感应加热过程电磁场、温度场的计算模型, 通过有限元与实验相结合的办法, 研究了频率、电流、功率、时间等工艺参数对工件内部温度场分布的影响规律, 为大型轧辊等工业重要轴类零件的表面淬火热处理中的感应加热数值预测提供依据。

1 高频感应加热的理论模型

感应加热电磁场的控制是基于麦克斯韦方程组而建立的, 主要包括安培环路定律、法拉第电磁感应定律、高斯定律和高斯磁通定律。引入Hamilton算子荦, 方程组在场连续时的微分形式如公式 (1) 所示。

轴类件的电磁感应加热问题可等效为轴对称问题, 可以简化成二维问题来进行计算, 其复向量磁势位满足的扩散方程为[3]:

其中:为复磁势位 (A) , 为复源电流密度 (A/m2) , ω为励磁正弦电流的频率 (Hz) , μ为试件的磁导率 (H/m) , σ为试件的电导率 (S/m) , 第一类边界磁势位已知值, J0电流密度幅值。

在轴类件内部热传导部分, 也可等效为二维轴对称问题。由于试件表面有热辐射损失, 所以方程为:

其中:k为试件材料的导热系数 (k W/m·℃) , ρ为试件材料密度 (kg/3) , T为试件温度 (℃) , 是与位移相关的函数;是由涡流生成的焦耳热 (J) , 为试件表面由于热辐射所引起的热量损失 (J) ;cp为材料的比热容 (J/ (kg·℃) ) 。

2 轴类件高频感应加热的数值计算

电磁场和温度场的数值模拟采用大型商业有限元软件MARC来实现。图1为建好的有限元模型, 分别由远端空气、线圈、工件和空气四部分组成。温度场求解过程中、线圈通过高频磁场对工件进行加热, 并通过空气进行热交换和辐射换热, 同时考虑线圈内部通水冷却的换热过程。

为便于实验验证, 文章模型工件采用45钢, 半径为22mm, 长度112mm, 初始温度为20℃。为了更好地体现工件表面与芯部的温度差、有无线圈包围时的温度差以及有无线圈包围交界处的热传导过程, 模型只采用了6匝线圈, 即没有全部包围圆柱形工件。加热过程的钢板密度变化忽略为常值7850kg·m-3, 与温度相关的电导率σ, 相对磁导率σ, 热传导系数k和比热容cp等材料参数详见参考文献[7]。

3 轴类件高频感应加热的结果分析

文章针对影响电磁感应加热速率和温升效果的电流密度Js、电源频率f和加热时间t等3个关键参数, 采用正交实验法进行了轴类件电磁感应加热过程的电-磁-热耦合数值分析计算。探讨了工件局部感应线加热的分布规律, 以及受热区域的温度场分布与加热参数之间的关系。

3.1 电流密度JS的影响

图2和图3分别为不同电流密度下, 试件表面温度 (A点) 和试件直径方向各点随时间变化的结果。由图2可知, 随着电流密度的逐渐增大, 加热速率、试件温度和温度加热上限也越来越高。当Js<3.5e7 (A/m2) 时, 试件表面温度在加热时间内呈线性分布。当Js叟3.5e7 (A/m2) 时, 温度开始出现上限值, 如Js=6.0e7 (A/m2) 时温度上限为1400℃。取最大电流密度刚进入稳定时刻 (t=8.5s) 的温度径向分布分析可知 (见图3) , 电流密度越大, 温度趋向表面的特性越明显, 即涡流感应深度越浅, 由电磁感应生成的热量越集中于工件表面。

3.2 频率f的影响

固定电流密度Js=3.5e7A/m2, 加热时间t=40s, 取不同频率对工件加热分析结果。图4为试件表面点在四种频率下的温度变化曲线, 在相同的加热模型下, 工件温度和加热速度均随频率f的增大而增大温度上升速度越大。图5为加热10s后试件沿直径方向的温度分布曲线。由此曲线表明, 在电流密度和加热时间相同的情况下, 频率f越大, 从表面到中心点温度下降越快, 即涡流感应深度越浅, 由电磁感应生成的热量越集中于工件表面。当f=2000Hz时, 受热的表层迅速升温至奥氏体化, 而短时间内表面产生的热量还未来得及传入内部, 心部仍处于较低的温度水平, 淬火热处理往往利用此特性以获得表面淬火组织[8]。

4 实验验证

热电偶测温精确高, 但易受强电磁场外界环境的影响。而红外测量易受到氧化铁皮、参数设置等因素的影响, 其测量精度也不易保证且只能测量物体表面温度, 无法获得轴类工件表层的温度梯度。为验证有限元模型的准确性和准确测出感应加热过程中试件的温度变化, 文章在基本防干扰措施的基础上提出了一种短时断电温度采集模式, 利用感应电源上的时钟定时器, 采集从初始常温开始加热至ti时刻时的温度。通过设定不同采集时间并重复测试采集, 获得时间离散化后对应的温度测试结果Ti, 将点集 (ti, Ti) 进行重构便获得完整的连续电磁感应加热的温度历程曲线。如图6所示, 将4根热电偶依次布置在从心部到试件表面上, 并通过NI采集卡和采集电脑进行温度实时采集。高频感应加热电源加热频率通过电脑进行控制, 采样断电时间采用图6中方波形式进行定时, 加热过程中每个0.5s中断0.1s进行温度采集。

A、B、C点热电偶温度测试重构曲线结果显示各点温度变化趋势相同, 由于近表面点 (A点) 受金属热传导和集肤效应的影响, 表面温度 (A点) 比内部温度 (B、C点) 整体趋势上高出100℃。由图可知测得的温度曲线光滑无毛刺, 信号稳定新好, 满足测试要求。图7为B点模拟值与实测值的比较, 可以看出两者基本吻合, 验证了有限元结果的准确性。

5 结束语

文章结合有限元软件marc进行了轴类件的感应加热的温度场精细化分析和各参数影响规律研究, 并设计出一种基于热电偶接触式温度测量方法, 验证了模型的准确性。研究结果表明感应加热器加载电流和电流频率越大, 温度梯度越大, 并且电流频率的影响明显大于电流强度的影响。

参考文献

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[7]谭真, 郭广文.工程合金热物性[M].北京:冶金工业出版社, 1994.

电磁感应加热 篇6

随着国民经济的发展, 能源短缺在当今已成为一个不可忽视的问题。在国家节能减排的倡导下, 越来越多的企业开始注重节能与环保。塑料加工制造业是我国的支柱产业之一, 由于产品同质化严重, 塑料加工企业想提高利润, 只有在节能降耗、控制成本上下功夫。通常情况下, 在塑料加工的过程中, 电力成本大约可占到产品总成本的1/3, 电能消耗的高低直接影响企业的利润率, 如何降低产品生产成本, 提高产品的竞争力, 是每个塑料加工企业面临的一个核心问题。

为了提高电能利用率, 减少生产成本, 本文对注塑机加热系统进行了改造, 使其满足塑料加工行业的工艺要求, 解决了注塑机电阻式加热效率低下、控制精度低、寿命短等缺点, 确保了塑料加工生产的稳定、高效。

1 电磁加热技术在注塑机加热系统的应用分析

1.1 注塑机加热系统的现状

传统的注塑机加热系统通常采用电阻丝加热的方式, 电阻丝产生的热量要通过炮筒外部传导到内部才能完成对物料的加热, 因此, 在加热过程中热量损耗太大, 造成车间温度过高, 加热效率低下。

近几年, 市面上一些采用电磁感应加热的加热系统往往采用家用电磁炉的设计思路, 没有充分考虑到实际应用中的长时间运行、车间现场环境等需求。从而导致运行效率底下, 加热不充分等问题。

为解决上述的问题, 本文对加热系统进行重新设计, 使其满足塑料加工行业的工艺要求, 并且能在一定功率和频率下实现稳定的运行。

1.2 电磁加热原理及优势

电磁电磁加热技术的本质是运用交———直———交电路将电磁能转变成热能, 将380V工频交流电进行整流然后逆变成10~20KHZ的交变电压, 通过谐振电路线圈产生交变的磁场, 在料筒壁产生涡流效应, 从而实现了对物料的加热。

电磁加热技术的优点:

(1) 加热效率高:在塑料加工行业主要使用的是电阻丝式的加热方式, 这种方式产生的热量只能单面传导, 因此至少有一半的热量耗散到周围环境中, 使周围环境温度升高。而在电磁加热系统中, 加热线圈与被加热物体不直接接触, 中间有保温层进行隔热, 将热量封锁在被加热物体中, 极大的提高了电能利用率。

(2) 加热速度快:由于电磁加热为非接触式加热, 热耗散较小, 通过在被加热物体上产生涡流效应来对物体进行加热, 因此可以使物体很快达到预设温度。

(3) 控制精度高:可以采用多种控制策略进行精确的功率控制, 使被加热物体温度与预设温度相差不超过1℃。

2 系统总体设计方案

系统的主体框图如图1所示, 分为整流滤波模块、逆变模块、谐振模块、功率控制模块。

2.1 主电路设计

整流模块采用不可控三相整流桥, 在整流模块输出侧并联一颗电解电容进行滤波, 从而可以给逆变模块提供稳定的直流电压。逆变器采用全桥逆变加串联谐振的方式, 使逆变产生的20KHZ脉冲通过谐振支路转变为交变的磁场, 从而实现电能向电磁能的转换。

2.2 谐振电路的选择

电磁加热谐振电路可分为串联谐振和并联谐振两种, 与逆变器一起组成了谐振型逆变器。串联型逆变器是由电感L、电容C、等效电阻Req串联构成。并联型谐振逆变器是由电感L、等效电阻Req串联再并联电容C构成。针对注塑机加热系统的工作特点, 系统选用串联型电容逆变器, 该逆变器具有以下几个优先:

(1) 串联谐振逆变器结构更加适合注塑机加热系统现场安装方式。串联谐振逆变器对布线要求交低, 且谐振线圈与电容距离较远, 运行起来更加可靠。

(2) 容易选择IGBT, 若选择电压型串联谐振逆变器, 只需反向并联一个快速恢复二极管为谐振电流提供续流通路, 并且该二极管只在逆变器功率因数角对应时间内通有电流, 若逆变器工作在谐振状态时, 对此二极管的容量要求较小, IGBT模块内置的反向二极管均能满足设计要求。

(3) 电压型串联谐振逆变器易于启动且容易工作在谐振状态, 对谐振电容的容量要求较低。

2.3 PWM移相控制电路的设计

移相PWM控制的原理是通过改变逆变电路输出电压的脉冲宽度来调节电源系统的加热功率。其原理是:使一个桥臂的驱动信号与逆变器输出电流保持一定的相位差, 称之为定相臂, 同时调节另外一组桥臂的相位, 即移相臂。从而使逆变器输出功率发生变化。考虑到在注塑机加热系统的实际应用, 选择移相调功的方式既能提高输出的精度, 又能提高电源系统的输入侧功率因数。

系统采用UCC3895集成芯片, 该芯片为TI公司产品, 专门用来进行移相处理, 该芯片在注塑机加热系统中能够稳定可靠的运行, 产生PWM波驱动IGBT桥臂, 可以使系统正常调节负载的功率大小。

3 系统运行状况分析

(1) 将该电磁感应系统运用于注塑机料筒后, 加热线圈与被加热物体不直接接触, 中间有保温层进行隔热, 将热量封锁在被加热物体中, 极大的提高了电能利用率, 由电阻丝加热的50%左右提升到90%以上。

(2) 设备的加热速度明显加快, 经济效益显著提升, 设备生产前的预热时间由2小时减少到1-1.5小时。

(3) 传统的注塑机加热系统通常采用电阻丝加热的方式, 电阻丝产生的热量要通过炮筒外部传导到内部才能完成对物料的加热, 电阻丝外部的温度高达200多度, 使电阻丝迅速老化, 寿命变短。而改造后的电磁加热系统料筒外壁温度只有80°左右, 延长了元器件的使用寿命。

(4) 温度控制精度提高至:±1℃以内, 满足注塑机工作时的工艺要求, 且料筒受热均匀, 使产品质量得到了保证。

(5) 由于热效率的提高, 使热耗散功率大大降低, 车间温度与工作环境得到了改善, 有利于车间工人的身体健康。

4 结语

在能源短缺的今天, 电磁加热技术以优异的性能和极高的电能利用率越来越受到塑料加工制造业的青睐。随着电力电子技术的进步, 利用电磁加热技术制造的加热系统也在不断的变革, 稳定性和效率都得到了提升。

在国家倡导节能减排的大环境下, 注塑机加热系统越来越多的采用了电磁加热的方式, 由此可以预测电磁加热必将给塑料制造业带来一次革命。

参考文献

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[4]夏思把, 党福祥, 等.新型晶闸管中频感应加热电源[J].电力电子技术, 2002, 36 (04) :21-23.

电磁加热技术井口解冻现场试验 篇7

1 电磁加热装置

电磁加热是一种利用电磁感应原理将电能转换为热能的技术。在电磁加热装置内部, 由整流电路将输入50/60 Hz的交流电压变成直流电压, 再经过控制电路将直流电压转换成频率为20~40 k Hz的高频电压, 高速变化的电流流过线圈会产生高速变化的磁场, 当磁场内的磁力线通过铁磁性材料 (导磁又导电材料) 时, 铁磁性材料内部产生无数的小涡流, 电涡流与铁磁性物质产生焦耳热, 产生了能量传递并迅速释放出热能, 利用释放的热能加热铁磁性材料内部物质。

电磁加热装置由电压表、电流表、加热线盘等组成, 工作电源AC 220V, 频率50 Hz, 整机最大功率4 k W。

加热前准备好电磁加热装置一套、电源 (水井需配备一台便携式发电机) 、变压装置一套。电磁加热装置使用流程:

1) 装置水平置于地面, 打开机箱, 将电缆输入的接线端子与机箱AC 220V电源相连, 然后将电磁加热线盘输出电缆端的插头按机箱上的标示插入。

2) 将电磁加热线盘固定在井口需解冻部位, 检查以上操作正确以后, 打开机箱面板上的电源开关, 拨动A运行开关——加热线盘A输出, 拨动B运行开关——加热线盘B输出。若需同时输出, 则同时打开A、B运行开关。

3) 解冻完一个部位后, 需要解冻下一个部位时, 先关闭主机箱面板上的电源开关, 将电磁加热盘从原解冻位置取下, 安装到需解冻部位, 再打开面板上的电源开关, 按解冻要求选择A、B运行。重复以上操作, 直至整个井口解冻为止。输入电缆与电源的连接, 将输入电缆、电磁加热线盘清洁后装入箱内。

4) 井口解冻完毕后, 关闭机箱面板上的电源开关, 切断总电源。拆除输入电缆与电源的连接, 将输入电缆、电磁加热线盘清洁后装入箱内。

电磁加热装置的特点如下:

1) 没有明火, 比较安全, 体积小质量轻, 便于携带操作。

2) 加热均匀、解冻快速、耗能低, 不破坏井口保温层。

3) 不与被加热物体直接接触, 即使中间隔着非金属物体也可以穿透非金属物体对铁磁性物质加热。

4) 电能转换效率高, 一般电阻加热效率仅在45%左右, 而电磁加热效率可高达98%。

2 现场试验

选取了井口冻堵时间分别为半个月、1个月、3个月的3口水井进行了现场解冻试验, 解冻成功率100%, 达到井口安全解冻的效果。

水井F246-90井口冻堵时间为15天。使用A、B两个加热线盘分别对采油树顶部两个250阀门进行解冻, 解冻时间4 min。4 min后, 打开250阀门, 井口处原油成股流出, 表明解冻完成。

水井F226-82井口冻堵时间为1个月。地面裸露部分主要是萝卜头上部注水井口部分, 解冻时采用单相装置进行解冻, 该部分解冻时间在20 min。萝卜头以下套管冻堵部分采用两相装置进行解冻, 100 min后井内水柱喷涌而出, 解冻完成。整个解冻时间达到2 h, 发电机耗油4 L。

水井Y78-92井口冻堵时间为3个月。地面裸露部分主要是萝卜头上部注水井口部分, 解冻时采用双相装置进行解冻, 该部分解冻时间在10 min。萝卜头以下套管冻堵部分采用两相装置进行解冻, 该井完全解冻的判断是通过观察地面大量的冰融化成水, 同时蒸发产生蒸汽, 现场将一根2 m以上的钢杆用铁丝捆住, 然后整根钢杆可以完全放入井内从而实施解冻。整个井口解冻时间达到3 h, 发电机耗油6 L。

3 结论

1) 电加热装置可以达到解除地面及地下1 m深冻堵的目的。

2) 从现场试验可以看出, 对于地面裸露部分管线, 不论冻堵时间长短, 可以短时间内解除冻堵, 效果明显;对于地下长时间冻堵非裸露部分, 解冻时间长, 与蒸汽解冻相比效率较低。

3) 该装置主要适应于较短时间内停井后冻堵的油水井, 对于冬季间抽及注水井临关井冻堵, 解堵效果好, 适应性更强。

摘要：针对大庆外围厂应用的无伴热井口环状流程冬季临关井井口冻堵问题, 目前常规解冻方式为锅炉车刺洗或明火加热, 解冻会造成井口结冰、密封破坏等安全环保隐患。为探索高效、环保的安全解冻方法, 试验了电磁加热井口解冻装置, 为冬季临关油水井开井生产提供了新的思路。

高频感应加热弯板成型感应器的设计 篇8

感应加热是利用交变电流通过闭合的线圈产生交变磁场, 感应磁场内金属工件使其迅速升温的一种加热方式。由于电磁感应加热具有升温快、效率高、污染少等优点, 是人们当前重点研究的“水火弯板”新型热源。

1 感应加热原理

1) 交变的电流产生交变的磁场。当某一导体上有交变的电流通过时, 它的内部和周围就会产生交变的磁场。

2) 交变的磁感生电流。闭合导体回路所包围的磁场发生变化时, 这个回路中就会感生电流。

3) 电流流动产生热。电流在金属内的流动过程中会因克服电阻而产生热量。

上述的这3个方面, 清楚表达出了感应加热的原理。感应加热的全过程就是:高频变压器产生交变的电流, 感应器将交变的电流转化为交变的磁场, 交变的磁场在钢板内部感生电流, 感生电流流动时因克服电阻而产生热量。

2 感应器的组成及种类

2.1 感应器的组成

感应器通常是由施感导体、导磁介质、汇流排、冷却系统和连接机构等5个部分组成的。

1) 施感导体, 是将交变电流转化为磁场的装置, 一般采用方形或圆形的紫铜管绕制。

2) 导磁介质, 是减少磁力线散失的物质, 使用导磁体可以提高感应器的效率。

3) 汇流排, 是向施感导体传输电流的装置, 一般采用厚度为4mm左右的铜板制造。

4) 冷却系统, 是冷却施感导体和汇流排的装置, 一般直接在施感导体铜管内通循环冷却水。

5) 连接机构, 是连接汇流排与高频变压器的部件, 通常使用铜制螺栓紧固。

2.2 感应器的种类

按感应器的用途和形状可以分为很多种, 但本文只研究用于线形加热平面钢板的感应器。平面线形感应器主要分为单线形、双线形和多线形等几种。

3 设计感应器的要点

3.1 高频电流的三种效应

设计感应器前, 应当充分了解高频电流的三种效应。

1) 邻近效应, 指的是导体内高频电流的密度因受相邻导体中电流的影响而分布不均匀的现象。当两个相互平行的导体通入方向相反的高频电流时, 电流就会大量集中在两个导体的邻近侧;反之, 则会分布在最远侧。

2) 趋肤效应, 指的是导体表面的电流密度大于导体内部电流密度的现象。交变电流的频率越高, 密度差就越大。

3) 圆环效应, 指的是高频电流通过圆环形线圈时, 电流会大量集中在线圈内侧的现象。

3.2 感应器应满足的条件

1) 结构简单、机械强度足够;

2) 效率高、损耗小;

3) 加热面积呈线形;

4) 具有良好的冷却效果。

3.3 绕制施感导体的铜管选用

1) 截面形状的选择。加热平面钢板时, 方铜管与钢板表面的贴合度好、磁力线散失少, 并且冷却效果也优于圆铜管, 因此采用方铜管为佳。

2) 高宽比的选择。方形铜管截面的高宽比h/b越小, 圆环效应就越弱、电效率就越高;但h/b过小会影响到感应器的冷却效果和机械强度。综合考虑各种因素并参考经验数据, 高度h取5~9mm、宽度b取9~11mm为合适。

3) 铜管厚度的选择。生产实践经验表明, 在加热时间较短 (感应加热弯板的加热时间通常都比较短) 的情况下, 如果铜管内不通水冷却, 壁厚δp应取1.5±0.5mm;如果铜管内通水冷却, 则壁厚δp取1±0.5mm为佳。

b、截面宽度h、截面高度

L、感应器的长度c、感应导体内侧间距

3.4 施感导体的形状及尺寸的选择

1) 施感导体形状的选择。单线形施感导体长度较短, 效率低;多线形施感导体的磁场较为复杂, 难以实现线形加热;相比之下, 双线形施感导体符合要求, 双线形施感导体又分为异向电流型和同向电流型两种。

当两个平行导体内通上异向高频电流时, 在临近效应和圆环效应的影响下, 高频电流会大量积聚在导体的内侧。同时根据右手定则, 两个导体的内侧会叠加方向相同的磁场、外侧则产生反向抵消的磁场。而当两个平行导体通上同向电流时, 情况正好相反。由此可以看出, 采用U型施感导体 (双线形异向电流) 符合线状加热的要求, 如图3.2所示。

2) 感应器长度L的选择。从工作效率的角度来看, 感应器越长越好;但从水火弯板的加工过程来看, 由于钢板会逐渐的弯曲变形, 感应器太长则难以与钢板相合。综合考虑上述因素并结合国内外的资料分析, L值取在140~220mm范围内为好。

3) 施感导体内侧间距C的选择。两平行导体内通上异向高频电流时, 会在其下方产生方向相反的感应涡流, 如果间距C过小将导致感应涡流相互消弱、过大则不能满足线状加热的要求, 根据参考资料分析, C值选在5~20mm范围内为佳。

3.5 感应器电效率的计算

感应器电效率的高低主要取决于感应器自身的阻抗损耗, 电效率可采用下式进行计算:

式中ηE为感应器的电效率;L1为汇流排的电感;L2为施感导体的电感;z1为汇流排的阻抗;ω为高频变压器输出电流的频率;z2为施感导体的阻抗。由此公式可以看出, 汇流排的阻抗z1越小, 感应器的电效率就越高。3.1式中的汇流排电感L1和施感导体电感L2可采用下式计算:

式中a1、b1、b2、l1、l2、l3如图3.3中所注;;a为钢板与感应器的间距;lu为施感导体的长度;h为感应器的高度。

由3.1式和3.2式可以看出, 降低L1或L2增大都可以提高感应器的电效率。若要降低L1, 可以通过减小l1、l2、l3或α来实现;但如果想增大L2, 只能够提高lu/h的比值 (比值通常都大于5) , 而不应该增大钢板和感应器的间距α (增大α会导致漏磁量增大) 。

a1、汇流排之间的间隙b1、汇流排的宽度b2、铜管的高度l1、连接机构与导磁体间距l2、汇流排转角处与导磁体间距l3、导磁体与铜管顶部间距

4 感应加热温度场的数值模拟

依据前述的各项感应器的设计要求, 运用ANSYS软件, 按照4.1表列出的参数建立如4.2图所示的感应加热钢板的系统有限元模型, 进行磁热耦合场瞬态分析。分析的结果如图4.3“钢板温度云图”和图4.4“垂直加热线方向温度分布曲线”所示, 加热面积的中心线是钢板产生最高温度 (765℃) 的位置, 温度沿加热线长度方向均匀分布、在宽度方向对称分布。从宽度方向来看, 高于580℃以上的区域宽度约为30mm。

通过感应加热温度场的数值模拟, 可以较为准确的检查出加热线的长度、宽度、温度值的高低和分布范围等, 如不符合标准, 可在更改参数后再次分析运算, 直至符合要求为止。

5 结语

设计制造感应加热设备已经有了几十年的历程, 在长期的生产实践中积累了很多的经验方法和经验数据, 但这些经验方法存在一定的离散性, 需要不断的加以探索和改进。利用磁热耦合场的数值模拟结果, 不但可以检验经验设计方法的准确程度, 还可以通过修正参数来得到感应加热钢板的最佳温度分布, 从而达到提高设计效率、降低制造成本的目的。

参考文献

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[5]储乐平, 马俊, 刘玉君, 纪卓尚.钢板感应加热机理及电磁—热耦合场的数值模拟[J].中国造船, 2005.

中频感应加热炉进料系统改造 篇9

一、进料系统存在的问题

1250kW中频感应加热炉进料系统包括上料平台、翻转机构、输送机构、变频连续进料机构;工作流程见图1。手动上料, 手动或自动进料, 先人工在上料平台上满工件, 翻转机构将工件翻送到输送机构, 传输到变频连续进料机构, 变频连续进料机构由一台变频电机驱动链条传动两对辊轮旋转, 依靠工件与辊轮之间摩擦力, 将工件送入加热炉炉膛内进行连续加热。

在实际工作中, 变频连续进料机构存在如下问题:辊轮与工件摩擦力大小靠松、紧弹簧来调整, 每次调整需要反复多次, 且需两个人同时给力旋动手柄, 劳动强度大;工件与辊轮接触不好, 出现工件不移动或者行进缓慢、辊轮打滑;传动链条使用中经常断裂;由于工件进料不连续, 工件加热节拍无法控制, 导致在炉膛内的工件料温不易控制, 或偏高或偏低, 加热期间经常出现甩料动作, 导致电能严重浪费, 生产效率低;对于不允许多次加热及过烧的工件, 还使材料直接报废, 增大生产成本;炉膛出料口到出料系统快提装置有一段距离 (200mm) , 由于进料速度所限, 导致出料速度过慢, 工件端部温度快速冷却, 不能满足某些锻件轴向温差工艺要求, 造成锻件缺陷或者产品报废。

二、改造措施

针对上述问题, 决定对进料系统进料机构部分进行推杆式改造, 取消原来的输送机构、变频连续进料机构。改造后的进料系统由工件准备平台、提升机构、上料平台、翻转机构、推料气缸组成, 可以手动、自动工作, 也可以采用连续或者步进方式加热。视工件长度来确定采用连续或步进加热 (对于料长>600mm的工件, 采用步进加热容易导致加热负荷的急剧变化引起过流跳闸故障, 宜采用连续加热方式) 。为了保证压缩空气的质量, 压缩空气严格经过分水滤气器、调压阀、油雾器净化处理。另外为了避免气缸因气源供给不及时出现爬行, 在进料系统侧安装了储气罐以在需要时及时补气, 确保进料的连续性。通过调节气缸前进节流阀开度控制连续进料速度。电气控制系统采用西门子S7-200 PLC及MT6100i台湾威纶通触摸屏, 自动化程度高, 实现人机交互。

改造后进料系统工作流程见图2, 工件先人工在地面放到准备平台上, 由提升机构将工件传送到上料平台, 翻转机构动作, 将工件翻入V型槽中, 推料气缸将工件连续或者步进快速推入加热炉炉膛进行加热。进料系统步进加热自动工作流程见图3。每个机械动作可以通过操作台按钮或者触摸屏手动实现, 方便调试和维修。

三、改造效果

(1) 工人上料在地面上完成, 通过辅助设备 (如行车、悬臂吊等) 可以方便的将工件放入准备平台上, 操作安全。

(2) 推料气缸有前进慢速、前进快速、后退快速多个速度, 完全满足中频加热炉对进、出料速度的要求。通过节流阀可以调整气缸前进速度, 从而控制加热节拍。当工件快到达炉膛口时快速推至出料系统的快提装置, 快速出料, 保证了加热工件轴向温度的均匀性。气缸可快速后退, 为下一工件的进料做准备, 从而节省气缸空行程时间, 提高工作效率。

(3) 进料顺畅, 无卡阻, 速度控制灵活, 加热节奏可控, 提高了加热效率和质量。

(4) 采用S7-200 PLC及MT6100i触摸屏, 整个上料过程除了人工将工件放至上料准备平台外, 其余操作全部自动化, 工人劳动强度低, 而且进料系统运行状态、参数设置、控制等在触摸屏上可以清晰显示 (图4) , 交互式界面非常直观, 方便设置与操作。

(5) 设有炉膛卡料报警保护, 避免强行推料损坏炉膛。如果在设定的时间里推料气缸未前进到气缸设定的行程, 视为炉膛卡料, 自动停止推料, 并声光报警, 提醒操作者检查炉膛, 从而实现炉膛保护。