CN102291863A

CN102291863A - 一种用于加热金属工件的电磁感应加热装置

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Publication number: CN102291863A
Application number: CN2011101816865A
Authority: CN
Inventors: 孙建国; 孙凯
Original assignee: PINGDINGSHAN HONGFA MATERIAL TRADE CO Ltd
Current assignee: PINGDINGSHAN HONGFA MATERIAL TRADE CO Ltd
Priority date: 2011-06-30
Filing date: 2011-06-30
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2031-06-30
Also published as: CN102291863B

Abstract

一种用于加热金属工件的电磁感应加热装置，包括控制柜、电容器、变压器和加热线圈，变压器中的一次线圈与电容器串接，变压器中的二次线圈与加热线圈串接，控制柜内设有主控板、驱动变压器、驱动板、电源和四组IGBT，电容器和变压器一次线圈与四组IGBT组成的全桥逆变电路连接，电源依次经过整流电路和滤波电路后与全桥逆变电路连接，主控板的控制端依次经过驱动变压器和驱动板与IGBT的控制极连接；电容器和变压器的一次线圈的串联电路上还设有互感器，互感器的输出端与主控板的反馈信号检测端连接。本技术方案的加热设备电路结构简单、故障率低，具有极高的稳定性和加热效率，能够根据需要调整交变电流的频率，调整简便且调整范围大。

Description

一种用于加热金属工件的电磁感应加热装置

技术领域

本发明涉及一种电磁感应加热装置，具体地说是一种用于加热金属工件的电磁感应加热装置。

背景技术

在金属工件的制造中，淬火是一项重要的处理步骤。淬火可以提高金属工件的硬度及耐磨性，因而广泛用于各种工、模、量具及要求表面耐磨的零件，如齿轮、轧辊、渗碳零件等。目前的淬火处理工艺中，通常采用火焰加热工件，这种加热方式需要消耗燃料，并且加热过程中大部分的热量散发到环境中，浪费了大量能源，能源利用率低。原有火焰加热方式需要将工件整体加热，无法做局部热处理，能源消耗大，并且整体加热导致工件变形大，影响工件成品质量。电磁感应加热是通过在感应线圈中通入一定频率的交变电流，在线圈周围产生交变磁场。交变磁场的电磁感应作用使工件内产生封闭的感应电流，即涡流。产生的涡流使金属直接发热，从而极大的减少了热量损失，提高了能量利用率。因此，电磁感应是金属工件加热的一大发展趋势。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于加热金属工件的电磁感应加热装置，具有运行稳定、加热速度快的优点。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种用于加热金属工件的电磁感应加热装置，包括控制柜、电容器、变压器和加热线圈，变压器中的一次线圈与电容器串接，变压器中的二次线圈与加热线圈串接，控制柜内设有主控板、驱动变压器、驱动板、电源和四组IGBT，电容器和变压器的一次线圈与四组IGBT组成的全桥逆变电路连接，第一组IGBT依次与电容器和变压器的一次线圈串接后与第四组IGBT连接，第二组IGBT依次与变压器的一次线圈和电容器串接后与第三组IGBT连接，第一组IGBT和第二组IGBT输入端并接，第三组IGBT和第四组IGBT输出端并接；电源依次经过整流电路和滤波电路后与全桥逆变电路连接，主控板的控制端依次经过驱动变压器和驱动板与IGBT的控制极连接；电容器和变压器的一次线圈的串联电路上还设有互感器，互感器的输出端与主控板的反馈信号检测端连接。

所述的全桥逆变电路中，每组IGBT中均设有两个并联的IGBT。

所述的滤波电路与全桥逆变电路的连接线路上设有过流传感器，过流传感器的输出端与主控板连接。

所述的IGBT上设有水冷装置，水冷装置内设有水腔，水腔上设有进水口和出水口。

所述的IGBT上设有温度传感器，所述水冷装置的进水口设有流量传感器，流量传感器和温度传感器的输出端与主控板的检测端连接。

所述的加热线圈设置在冷却套管内，冷却套管的绕制方式与加热线圈的绕制方式相同，在冷却套管的一端设有套管进口，另一端设有套管出口。

所述的变压器上设有冷却装置，冷却装置包括套在变压器线圈导线上的水冷管和设置在铁芯上的冷却水盒，水冷管的绕制方式与变压器线圈导线的绕制方式相同，在水冷管的一端设有水管进口，另一端设有水管出口；冷却水盒上设有水盒进口和水盒出口。

所述的冷却水盒，其水盒进口和水盒出口分别连接有导水管，导水管呈环状盘旋设置。

所述的整流电路为桥式整流电路，所述的滤波电路为RC滤波电路。

所述的电源设有缺相检测电路和过压检测电路，缺相检测电路和过压检测电路的输出端分别与主控板连接。

本发明的有益效果是：本技术方案中，电源经过整流、滤波后，再由全桥逆变电路转变为交变电流。在全桥逆变电路中采用IGBT控制电流的导通与关断，提高了负载电路的稳定性和加热效率，并且简化了电路组成，降低了故障率。主控板的控制信号经过驱动变压器升压后由驱动板控制IGBT的开关，根据需要调整开关频率即可产生不同频率的交变电流，以适应不同工件的需要。在电容器和变压器一次线圈的串联电路上设有互感器，主控板根据互感器检测到反馈信号实时调整电流频率，从而提高热处理效果。在本技术方案的全桥逆变电路中，每组IGBT中均设有两个并联的IGBT，两个并联的IGBT轮流导通，这种设置方式降低了单个IGBT的通断频率，不但可以使产生交变电流的最大频率成倍增加，还降低了IGBT的损耗，提高了系统稳定性。为了保护IGBT，在滤波电路与全桥逆变电路的连接线路上设置过流传感器，过流传感器的输出端与主控板连接，一旦发生过流现象立刻关断电路，防止方式以外。另外，本技术方案中IGBT、变压器和加热线圈上都设有水冷装置，采用冷却水进行冷却，该设置方式冷却效率高，极大的提高了设备的稳定性。综上所述，本技术方案的加热设备电路结构简单、故障率低，具有极高的稳定性和加热效率，能够根据需要调整交变电流的频率，调整简便且调整范围大。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明控制柜中的电路结构示意图。

图3是本发明中全桥逆变电路的设置方式示意图。

图4是本发明中变压器线圈上水冷管的设置方式示意图。

图5是本发明中变压器铁心上冷却水盒的设置方式示意图。

图6是本发明中多个变压器铁心上冷却水盒的连接方式示意图。

图7是本发明中与冷却水盒连接的导水管的盘旋方式示意图。

图8是本发明中加热线圈上冷却套管的设置方式示意图。

图中标记：1、控制柜，2、电容器，3、变压器，4、加热线圈，5、主控板，6、驱动变压器，7、驱动板，8、电源，9、全桥逆变电路，10、第一组IGBT，11、第二组IGBT，12、第三组IGBT，13、第四组IGBT，14、整流电路，15、滤波电路，16、互感器，17、过流传感器，18、温度传感器，19、流量传感器，20、冷却套管，21、变压器线圈导线，22、水冷管，23、铁芯，24、冷却水盒，25、导水管，26、缺相检测电路，27、过压检测电路，28、套管进口，29、套管出口，30、水盒进口，31、水盒出口，32、水管进口，32、水管出口。

具体实施方式

如图所示，一种用于加热金属工件的电磁感应加热装置，包括控制柜1、电容器2、变压器3和加热线圈4，变压器3中的一次线圈与电容器2串接，变压器3中的二次线圈与加热线圈4串接，控制柜1内设有主控板5、驱动变压器6、驱动板7、电源8和四组IGBT，电容器2和变压器3的一次线圈与四组IGBT组成的全桥逆变电路9连接。如图3所示，全桥逆变电路9的设置方式为：第一组IGBT 10依次与电容器2和变压器3的一次线圈串接后与第四组IGBT 13连接，第二组IGBT 11依次与变压器3的一次线圈和电容器2串接后与第三组IGBT 12连接，第一组IGBT 10和第二组IGBT 11输入端并接，第三组IGBT 12和第四组IGBT 13输出端并接。其中，第一组IGBT 10和第四组IGBT 13同时导通或关断，第二组IGBT 11和第三组IGBT 12同时导通或关断。由此即可在变压器3的一次线圈和电容器2的串联电路中产生交变电流。电路的供电方式如图2所示，电源8依次经过整流电路14和滤波电路15后与全桥逆变电路9连接，主控板5的控制端依次经过驱动变压器6和驱动板7与IGBT的控制极连接。主控板5的控制信号经过驱动变压器6放大后，由驱动板7控制IGBT的导通和关断。控制信号的设置方式和控制电路的设置方式可以采用现有技术。驱动变压器6和驱动板7的电路设置方式也可以按照现有技术实施。为了实时调节通入加热线圈的电流频率和负载功率，在电容器2和变压器3的一次线圈的串联电路上设置互感器16，互感器16的输出端与主控板5的反馈信号检测端连接。主控板5根据反馈信号进行控制。

如图3所示，所述的全桥逆变电路9中，每组IGBT中均设有两个并联的IGBT。两个并联的IGBT轮流导通，这种设置方式降低了单个IGBT的通断频率，不但可以使产生交变电流的最大频率成倍增加，还降低了IGBT的损耗，提高了系统稳定性。

所述的滤波电路15与全桥逆变电路9的连接线路上设有过流传感器17，过流传感器17的输出端与主控板5连接。当电流超过设定值时主控板5控制电路关断，防止出现危险或损害。

为了降低IGBT发热带来的损害，可以在IGBT上设置水冷装置，水冷装置内设有水腔，水腔上设有进水口和出水口，在水腔内通入循环水以降低IGBT的温度。

为了防止意外情况导致IGBT过热带来的损害，在IGBT上设置温度传感器18，用于实时监测IGBT的温度。在IGBT的水冷装置的进水口设有流量传感器19，实时监测水冷装置的通水情况，防止意外断水。流量传感器19和温度传感器18的输出端与主控板5的检测端连接。

由于对金属工件进行热处理时的功率非常高，设备发热量大，尤其是变压器3和加热线圈4，如不能及时降温，将会对设备造成很大的损害，降低使用寿命。如图8所示，所述的加热线圈4设置在冷却套管20内，冷却套管20的绕制方式与加热线圈4的绕制方式相同，在冷却套管20的一端设有套管进口28，另一端设有套管出口29，在冷却套管20内通入循环水进行冷却降温。这种冷却方式加热线圈4的导线与冷却水直接接触，降温效率高。

如图4、图5所示，所述的变压器3上设有冷却装置，冷却装置包括套在变压器线圈导线21上的水冷管22和设置在铁芯23上的冷却水盒24。水冷管22的绕制方式与变压器线圈导线21的绕制方式相同，在水冷管22的一端设有水管进口32，另一端设有水管出口33。这种设置方式与加热线圈4的冷却方式基本相同。在铁芯23的冷却水盒24上设有水盒进口30和水盒出口31，通入循环水进行降温。为了不影响铁芯23在安装变压器线圈内的安装，可以将冷却水盒24设置成两部分，两部分分别设置在铁芯23的上下两端，并且相互连通。水盒进口30和水盒出口31则分别设置在冷却水盒24的上下两部分上。由于变压器中的磁通量非常大，通入冷却水盒24的循环水中极易产生静电，如果处理不好很可能对设备或人员造成危险。为了解决这一问题，可以在冷却水盒24的水盒进口30和水盒出口31分别连接导水管25，通过导水管25向冷却水盒24供水或排水，并且将导水管25呈环状盘旋设置，盘旋方式如图7所示。这种设置方式能够有效消除冷却水中的静电，保证人员安全。由于一个变压器中通常设有多个铁芯，为了简化铁芯23上冷却水盒24与供水系统的连接。如图6所示，可以将一个铁芯23上冷却水盒24的水盒出口31与另一个相邻铁芯23上冷却水盒24的水盒进口30连接。变压器两端的铁芯上的冷却水盒分别通过导水管与供水系统连接，这里的导水管同样呈环状盘旋设置。

所述的整流电路14为桥式整流电路，所述的滤波电路15为RC滤波电路。

所述的电源8设有缺相检测电路26和过压检测电路27，缺相检测电路26和过压检测电路27的输出端分别与主控板5连接。

本技术方案，交变电流产生的交变磁场使工件内产生封闭的感应电流。感应电流在工件截面上的分布很不均匀，工作表层电流密度很高，向内逐渐减小，这种现象称为集肤效应。工作表层高密度电流的电能转变为热能，使表层的温度升高，即实现表面加热。电流频率越高，工件表层与内部的电流密度差则越大，加热层越薄。在加热层温度超过钢的临界点温度后迅速冷却，即可实现表面淬火。采用感应加热的方式能够对工件局部加热，工件变形小，提高了工件质量。工件表面淬硬层可以根据需要进行调整，易于控制。本技术方案的加热设备可以安装在机械加工生产线上，易于实现机械化和自动化，便于管理，且可减少运输，节约人力，提高生产效率。

Claims

1.一种用于加热金属工件的电磁感应加热装置，包括控制柜（1）、电容器（2）、变压器（3）和加热线圈（4），其特征在于：变压器（3）中的一次线圈与电容器（2）串接，变压器（3）中的二次线圈与加热线圈（4）串接，控制柜（1）内设有主控板（5）、驱动变压器（6）、驱动板（7）、电源（8）和四组IGBT，电容器（2）和变压器（3）的一次线圈与四组IGBT组成的全桥逆变电路（9）连接，第一组IGBT（10）依次与电容器（2）和变压器（3）的一次线圈串接后与第四组IGBT（13）连接，第二组IGBT（11）依次与变压器（3）的一次线圈和电容器（2）串接后与第三组IGBT（12）连接，第一组IGBT（10）和第二组IGBT（11）输入端并接，第三组IGBT（12）和第四组IGBT（13）输出端并接；电源（8）依次经过整流电路（14）和滤波电路（15）后与全桥逆变电路（9）连接，主控板（5）的控制端依次经过驱动变压器（6）和驱动板（7）与IGBT的控制极连接；电容器（2）和变压器（3）的一次线圈的串联电路上还设有互感器（16），互感器（16）的输出端与主控板（5）的反馈信号检测端连接。

2.如权利要求1所述的一种用于加热金属工件的电磁感应加热装置，其特征在于：所述的全桥逆变电路（9）中，每组IGBT中均设有两个并联的IGBT。

3.如权利要求1所述的一种用于加热金属工件的电磁感应加热装置，其特征在于：所述的滤波电路（15）与全桥逆变电路（9）的连接线路上设有过流传感器（17），过流传感器（17）的输出端与主控板（5）连接。

4.如权利要求1所述的一种用于加热金属工件的电磁感应加热装置，其特征在于：所述的IGBT上设有水冷装置，水冷装置内设有水腔，水腔上设有进水口和出水口。

5.如权利要求4所述的一种用于加热金属工件的电磁感应加热装置，其特征在于：所述的IGBT上设有温度传感器（18），所述水冷装置的进水口设有流量传感器（19），流量传感器（19）和温度传感器（18）的输出端与主控板（5）的检测端连接。

6.如权利要求1所述的一种用于加热金属工件的电磁感应加热装置，其特征在于：所述的加热线圈（4）设置在冷却套管（20）内，冷却套管（20）的绕制方式与加热线圈（4）的绕制方式相同，在冷却套管（20）的一端设有套管进口（28），另一端设有套管出口（29）。

7.如权利要求1所述的一种用于加热金属工件的电磁感应加热装置，其特征在于：所述的变压器（3）上设有冷却装置，冷却装置包括套在变压器线圈导线（21）上的水冷管（22）和设置在铁芯（23）上的冷却水盒（24），水冷管（22）的绕制方式与变压器线圈导线（21）的绕制方式相同，在水冷管（22）的一端设有水管进口（32），另一端设有水管出口（33）；冷却水盒（24）上设有水盒进口（30）和水盒出口（31）。

8.如权利要求7所述的一种用于加热金属工件的电磁感应加热装置，其特征在于：所述的冷却水盒（24），其水盒进口（30）和水盒出口（31）分别连接有导水管（25），导水管（25）呈环状盘旋设置。

9.如权利要求1所述的一种用于加热金属工件的电磁感应加热装置，其特征在于：所述的整流电路（14）为桥式整流电路，所述的滤波电路（15）为RC滤波电路。

10.如权利要求1所述的一种用于加热金属工件的电磁感应加热装置，其特征在于：所述的电源（8）设有缺相检测电路（26）和过压检测电路（27），缺相检测电路（26）和过压检测电路（27）的输出端分别与主控板（5）连接。