電磁感應器加熱技術的應用與研究

胡焌豪

摘 要：從20世紀初開始，電磁感應加熱技術就開始應用于工業的生產過程，電磁感應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，現在社會對于環境污染的要求更加苛刻，電磁感應對于環境的污染較傳統的加熱方法減少很多，基于它的各種優點，應用范圍更加廣泛，得到了迅速的發展，存在于加工行業的各方面，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體的區域提純、外延等熱加工工藝中都有應用。就連現在家用的微波爐也是利用電磁感應加熱技術。該文通過對傳統的加熱方法與電磁感應加熱的方法進行對比，得出該方法的優勢，并進一步說明了電磁感應的溫度控制原理。

關鍵詞：電磁感應加熱 溫度控制 模糊算法

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

1 電磁感應加熱技術的應用

現在社會需求的增長，電磁感應加熱技術越來越廣泛地運用到各行各業中。大致可以歸類為以下幾個領域：第一，食品、醫療、化工、塑機械加熱、木材、建筑等節能改造方面都有用，在這些方面使用電磁感應加熱代替了傳統的電阻加熱；第二，機械行業，電磁感應加熱中的高頻電磁加熱可以應用于金屬表面的熱處理，也可以用于器件在加工前的透熱，這種方法與傳統的方法相比有很大的優勢；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，同時可以適應不同燃料的不同溫度要求；第四，輕工行業，在輕工行業用于食品或者塑料產品的封口，這種方式的加熱大大加大了生產效率，還可以節省生產空間。

電磁感應加熱技術的應用，可以提高生產產品的速度同時也能降低生產成本，也提升了設備制造行業的生產水平，在傳統行業中越來越廣泛地被接受和使用。

2 電磁感應加熱的原理

電磁感應技術就是我們通常所說的IH技術，它建立的基礎就是法拉第感應定律。電磁感應的加熱原理就是利用高頻的交變電流在通過線圈時產生磁場，這種交變的磁場在通過金屬工件時產生渦流，產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生很強的渦電流，這樣就在金屬件內部產生了很大的焦耳熱，這樣金屬件的溫度自己就升高了，完成了一個自發熱的過程，這個自發熱的速度非常快。電磁感應加熱利用的就是電流的做功，將電能轉化為被加熱體本身的內能，使被加熱件的溫度升高，從而達到加熱的目的。

3 傳統加熱與電磁感應加熱的對比

3.1 傳統的加熱

用加熱注射劑來舉例傳統加熱存在的弊端，傳統的注射劑加熱一般采用電阻的方式進行加熱，電阻加熱存在的缺點如下：第一，工作環境惡劣，傳統加熱利用的是電阻加熱，在加熱過程中向環境中散發大量的熱量，使得操作環境溫度升高，尤其在夏季的加熱時，現場的工作環境是非常惡劣的，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，在傳導的過程中由于過程繁瑣，也損耗掉了很大的熱量，經過統計只有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，電阻發熱對電阻的損耗很大，繞制的電阻線長時間加熱很容易發生斷裂，這樣增加了工人的工作量，需要定時地對電阻進行檢查和維護，維修和更換的費用都很大，加熱的產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 電磁感應加熱

第一，與傳統的加熱方法相比，電磁感應加熱是自發熱的現象，不會對環境造成很大的影響，工人的工作環境也得到了很大程度的改善，也減少了為環境降溫的費用；第二，電磁感應的熱損耗小，節能效果好，電磁感應發熱過程感應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進行傳遞的，在傳導的過程中減少了很多熱能的損耗，效率提高很多，可以達到85%左右，比傳統的加熱提高了很多；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生較強的渦電流，焦耳熱產生得也多，熱量散失得少，所以金屬件升溫很快；與傳統的電阻加熱相比，使用壽命增長了，電磁感應的加熱工具是特制的線圈和半導體的器件，線圈在工作時的溫度并不像電阻絲產生那么高的溫度，使用壽命大大提高了。電磁感應加熱的加熱效率高，所以產品的產量也高，所以無論從損耗還是生產效率上都得到了提高。

綜上所述，電磁感應加熱具有的優勢是非常明顯的，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 電磁感應加熱技術的實現

4.1 電磁感應加熱系統的組成

電磁加熱系統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過電磁加熱控制板將交流電進行整流、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，從而達到被加熱體的自發熱過程。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。

4.2 對輸出功率的控制

對于電磁感應加熱輸出功率的控制有很多種方法，其中感應電源有兩種控制方法：即負載串聯諧振型和負載并聯諧振型，串聯諧振感應加熱電源較并聯的有很多優勢，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到的目的，所以感應加熱電源需要控制輸出功率，使功率保持到一個可調節的范圍內。串聯諧振電源的調功方式有兩大類：直流側調壓調功和逆變側調功，其中直流側調壓調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行調壓。逆變側調功的方法就比較多，比如：通過脈沖寬度調節、通過電壓調節、通過脈沖頻率調節、通過脈沖密度調節、通過移相調節、通過改變功率因素調節以及以上各種方法的綜合調節法等。通過這些方法的調節都可以達到調節溫度的目的。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?，F在用調節脈沖密度調功法調節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上，建立T=f（t）即溫度與時間的函數關系，實現溫度的分段控制，以達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、相鄰段有較強偶合等特點，這種算法可以模擬人腦進行思維、判斷以及推理的過程，可以將人的經驗等用語言的方式表達出來，再通過計算機的處理，完成輸入和輸出的建模過程，是一個智能化的實現過程。模糊算法的數據庫錄入的是專家的語言信息，并在使用時將這種語言轉化為控制策略，可以解決實際使用過程中的各種問題，有些復雜的數據模型需要建立精確的數學模型，這種算法可以解決這些復雜的建模過程。這種方法很好地完成了推理系統與控制系統間以及模糊數據和精確數據的轉化問題。溫度的控制就是一個不確定的數據模型，通過電磁感應的輸出功率和模糊算法的結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 結語

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

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