同步雙頻感應加熱電源的研究

摘要：針對齒輪等具有凹凸結構的工件對感應加熱淬火的特殊要求，同步雙頻感應加熱電源應運而生。同步雙頻感應加熱齒輪淬火不僅精簡(jiǎn)了齒輪的制造工藝，也降低了能耗，提高了效率。對感應加熱電源及同步雙頻感應加熱電源進(jìn)行了研究，詳細分析了同步雙頻感應加熱電源的電路結構及應用優(yōu)勢，并進(jìn)行了理論分析和仿真研究。采用1臺MPS系列MOSFET高頻感應加熱電源以及1臺IPS系列IGBT中頻感應加熱電源搭建試驗臺，對一件12齒的齒輪工件進(jìn)行同步雙頻感應加熱的試驗，驗證了該雙頻拓撲結構和參數的正確性，得到的電路波形與仿真波形基本吻合。
關(guān)鍵詞：電源；感應加熱；同步雙頻；齒輪淬火

1 引言
全球能源匱乏和自然環(huán)境的污染問(wèn)題日益加劇，先進(jìn)熱處理制造技術(shù)由于具有可減少能耗、降低成本和減少環(huán)境污染的優(yōu)點(diǎn)而備受重視。
感應加熱淬火電源技術(shù)是目前熱處理的重要工藝之一，與其他傳統加熱方式相比，其速度快、清潔程度好、能精確加熱、能耗低、易于操作且自動(dòng)化程度高。我國熱處理行業(yè)的“十二五”發(fā)展規劃中就明確提出了發(fā)展感應加熱工藝、設備及相關(guān)技術(shù)的重要發(fā)展目標。同步雙頻感應加熱電源技術(shù)不僅精簡(jiǎn)了齒輪的制造工藝，也降低了成本和能耗。因此，齒輪同步雙頻感應淬火對于科學(xué)研究和工業(yè)應用都具有重要意義。

2 感應加熱電源用于齒輪淬火
感應加熱電源有串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振兩種結構。除逆變器結構的區別之外，前者采用大電容濾波，后者采用大電感濾波。感應加熱電源的頻率分為低頻(500 Hz以下)、中頻(1～10 kHz)、超音頻(20～75 kHz)和高頻(100 kHz以上)。
感應加熱對于提高金屬器件的抗磨損性和疲勞強度非常有效，具有工件表面硬度高、脆性低、疲勞強度高、變形小，以及加熱溫度、淬硬層深度等參數容易控制等特點(diǎn)。然而對于類(lèi)似齒輪這樣具有凹凸表面結構的工件而言，采用常規的單頻感應加熱技術(shù)無(wú)法達到令人滿(mǎn)意的處理效果。
在對非均勻柱狀器件的表面加熱時(shí)，為達到均勻的加熱深度，工件的不同部分在感應加熱時(shí)需要不同的頻率。齒輪存在齒頂和齒根，采用高頻感應加熱齒輪表面淬火，感應電流產(chǎn)生的熱量在表面迅速傳導，齒頂完全硬化，但齒根硬化不足。此外，這種處理方法還易在齒根面上增加殘留應力，導致斷裂的發(fā)生。采用中頻感應加熱齒輪表面淬火，熱量在齒根傳導，由于齒根的凹面形狀，熱量在傳導過(guò)程中以指數形式遞減，齒根有效硬化，而齒頂卻硬化不足。
使用單頻電源時(shí)，齒輪感應加熱過(guò)程需分為兩個(gè)階段；但使用雙頻感應加熱電源時(shí)，加熱過(guò)程可在同一階段完成，提高了工作效率。具體操作為：高頻用來(lái)加熱靠近感應電源的器件表面部分，如齒輪的凸起邊緣；中頻用來(lái)加熱齒根。

3 同步雙頻感應加熱電源電路原理分析
3．1 同步雙頻感應加熱電源
為了達到使齒輪加熱淬火過(guò)程中幾何表面受熱均勻的目的，將中頻感應加熱電源與高頻感應加熱電源相結合。同步雙頻感應加熱技術(shù)把中頻和高頻連接到一個(gè)共同的輸出端，使用共同的感應器，這使得被加熱部件的不同部分得以被相適宜的頻率所加熱淬火。
同步雙頻感應加熱淬火過(guò)程中無(wú)需頻率的變化，而是使中頻和高頻電源同步作用到一個(gè)感應器上，將一個(gè)中頻基頻振蕩作用在一個(gè)高頻振蕩上。中頻和高頻的幅值是相互獨立控制的，根據工作狀態(tài)的需求各自進(jìn)行功率及頻率的調節，使得感應加熱電源對齒輪的齒根和齒頂淬火深度和效果的控制達到最優(yōu)。將中頻(10～25 kHz)及高頻(200～900 kHz)結合時(shí)，中高頻比例、實(shí)際使用頻率主要取決于加熱深度?？傮w而言，加熱深度不大于1 mm時(shí)需要較高的頻率，大于2 mm時(shí)需要的頻率更偏中頻。
3．2 同步雙頻感應加熱電源電路結構
雙頻感應電源采用雙逆變橋結構，如圖1所示，高頻電源采用串聯(lián)逆變器，中頻電源采用并聯(lián)逆變器。高頻和中頻同時(shí)輸出到一個(gè)感應器，兩種頻率的電源幅值和頻率各自被調控。Lf，Cf組成高頻濾波器，阻止高頻電壓反饋至中頻輸出端，Ck1可阻止中頻電壓反饋至高頻輸出端。