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感应加热装置汇流母线的改进设计

晨怡热管 杜锦才 吴秉铎 黄灵仙 2008/4/9 22:11:20

摘要: 分析感应加热装置中谐振回路的特点及其母线合理设计的必要性;同时介绍了影响母线设计的各种因素和具体改进设计的方法,以期使装置达到既节能又省材的良好经济效果。
关键词: 感应加热设备;谐振;母线
中图分类号:TM924.03  文献标识码:A  文章编号:1002-1639(1999)05-0030-02

Improved Design of the Bus-bar in Induction Heating Installation

DU Jin-cai,WU Bing-duo,HUANG Ling-xian

Zhejiang University,Hangzhou 310027,China

Abstract: In the paper,the authors analyze the features of resonance circuit in the induction heating installation and the necessity for reasonable design of the bus-bar,introduce every factor to affect the design of the bus-bar and the methods for improving design.As a result,the design makes the installation save electricity and copper.
Key Words: induction heating installation;resonance;bus-bar

1 前言
  感应加热装置是指利用电流产生的磁场非接触地对感应器内的金属工件实现涡流加热的设备装置。感应器一般由环形的通水铜管制成,其满载时的品质因数Q(感应器的无功功率与有功功率之比)可达10~15。为了减小装置的容量,将负载电路设计为由感应器和补偿电容器组成的谐振电路[1]。目前所采用的绝大部分是并联谐振电路,其特征是回路的电流谐振。回路的谐振电流值可近似为装置输出电路的Q倍。象常用的500 kW/1 000 Hz中频电源配备0.5 t感应炉(额定电压为1 500 V),其谐振回路的谐振电路可达5 000 A;电流频率为1 000 Hz。谐振回路的最大特点是电流大、频率高。而在装置补偿电容柜内汇流母线上的电流分布呈阶梯形逐渐下降,在同一根母线上电流密度相差悬殊。而现在所用母线多为等截面的铜排,这就显得很不合理。假如按补偿电容柜内最大电流值来考虑其截面,则小电流处的截面就显得过于浪费;又假如按补偿电容柜内母线的平均电流来设计其母线的截面,则母线的最大电流处会严重发热,增加功耗,进而降低了装置的系统效率。因此,电容柜内母线的理想形状应该是与电流大小相应的阶梯状。又由于谐振回路的谐振电流频率较高,来回母线间的距离又小,严重的“集肤效应”和“邻近效应”将影响母线内的电流分布[2]。这也是在设计该母线时不得不考虑的又一问题。

2 母线的设计
  感应加热中频电源大部分工作在500~8 000 Hz的频率范围,其母线形状和尺寸的合理设计不仅与流过母线电流的大小和分布有关,而且与流过母线电流的工作频率也有密切关系。
2.1 补偿电容柜内母线的电流分布
  由于感应器的Q值达10~15,功率因数cos 极低(一般小于0.1),装置所需要的补偿电容容量近似为装置功率的Q倍。因此,作为谐振回路一部分补偿电容的数量就很多,一般多达数十只。流过母线的电流很大,而且分布极不均匀。
  作为感应加热装置负载谐振回路的结构示意图如图1所示。

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图1 谐振回路的结构示意图

  图中,L为感应器;C1~Cn为电热电容器;M1、M2为谐振回路的母线;J1~Jn为电容器在母线上相应的接点。
  母线上的电流分布如图2所示。
  从图2中可以看到,每经过一个接点,母线上的电流就要下降相应单个电容器的额定电流值(当装置的输出电压为额定电压时)。母线上的电流大小变化有规律,且头尾相差悬殊,极不平衡。

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图2 汇流母线上电流的分布曲线

2.2 母线上的集肤效应和邻近效应
  根据电磁场理论,母线上流过交变的电流时,其内部就会产生感应电势。电流沿截面的分布是不均匀的。靠近母线表面处电流密度最大;越到母线的内部,电流密度就越小。这种趋于表面的现象叫做“集肤效应”。经理论分析,母线中的电流密度沿截面的轴线方向按自然指数函数下降,如图3a所示。

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(a)单汇流排的集肤效应  (b)双汇流排的邻近效应

图3 母线的集肤效应和邻近效应趋势图

  从图3a可以看出,电流主要集中在导体的表面;电流频率越高,集肤效应现象就越明显。我们常用透入深度Δ0来表示电流的集肤程度:

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  式中:ρ为母线导体的电阻率,Ω.cm;μr为母线导体的相对导磁率;f为流过母线电流的频率,Hz。
  特别指出,由于要求谐振回路母线的压降尽可能小,母线M1和M2之间的距离应尽可能短[3]。由此,电流方向相反的母线M1和M2还会产生“邻近效应”。使得母线M1和M2的电流进一步集中在母线的内侧。
2.3 母线的合理设计
  根据以上的分析,我们设计谐振回路母线将遵循以下几个原则和步骤:
  (1)考虑集肤效应和邻近效应,并根据流过母线电流的频率确定母线的厚度,在保证有足够的机械强度下,一般近似地选取:d≈2Δ0。除非Δ0太小而必须考虑母线的机械强度。
  (2)选取适当的电流密度
  电流密度的选取,始终存在着节能和省材的矛盾。这对矛盾在不同的场合,应该有不同的侧重面。人们常规的选取额度为:铜质取6 A/mm2;铝质取4 A/mm2。但在谐振母线这样用线相对较短、电流又相对较大的场合,我们主要应该尽可能地考虑节能的效果。实践的经验告诉我们:在感应加热装置中,谐振回路母线的电流密度在自然风冷条件下取2 A/mm2,而在通水冷却条件下取5 A/mm2是适当的。
  (3)根据电流的大小、已选取的电流密度和母线的有效厚度,求取母线的高度。
  (4)再根据母线电流的分布曲线,并考虑到加工的简单性和可行性来确定母线的实际形状和尺寸。
  根据以上四个原则和步骤,我们改进了几十年来一直沿用的谐振回路母线形状和尺寸,设计为图4所示的变截面谐振回路母线。

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图4 改进前、后谐振回路母线的形状示意图

  改进后的母线,电流密度的选取更趋合理;母线截面的厚度、宽度以及母线之间的间距等的设计更具有节能的效果;母线纵向变截面形状的合理设计更符合省材的经济原则。

3 结语
  应用于感应加热装置中谐振回路母线的设计,必须考虑到“集肤效应”和“邻近效应”对其电流分布所带来的严重影响。它的形状和尺寸在以电流大、频率高为主要特征的感应加热装置中显得尤为重要。适当的电流密度和合理的母线结构与尺寸对装置的经济运行和节约成本都是必要的。经过改进后的谐振回路母线与原来使用的母线相比既节能又省材,更趋于合理、经济,可谓一举两得。这一方案已得到了有关生产厂家的重视和实际应用,并具有一定的经济效益和社会效益。

作者简介: 杜锦才(1964- ),男,1985年7月毕业于浙江大学电机工程学系,电力电子应用技术国家工程研究中心工程师,曾任技术科长兼中频电源调试组组长等职,长期从事感应加热电源的设计、开发和研究工作.

作者单位:浙江大学,浙江 杭州 310027

参考文献
[1] 林渭勋.可控硅中频电源[M].北京:机械工业出版社,1989.
[2] 黄礼镇.电磁场原理[M].北京:人民教育出版社,1980.
[3] 杜锦才,邵 鸣,黄灵仙.关于中频电源输出馈线电感的探讨[J].能源工程,1998,(1):

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