同步雙頻感應(yīng)加熱電源的研究

摘要：針對齒輪等具有凹凸結(jié)構(gòu)的工件對感應(yīng)加熱淬火的特殊要求，同步雙頻感應(yīng)加熱電源應(yīng)運而生。同步雙頻感應(yīng)加熱齒輪淬火不僅精簡了齒輪的制造工藝，也降低了能耗，提高了效率。對感應(yīng)加熱電源及同步雙頻感應(yīng)加熱電源進行了研究，詳細分析了同步雙頻感應(yīng)加熱電源的電路結(jié)構(gòu)及應(yīng)用優(yōu)勢，并進行了理論分析和仿真研究。采用1臺MPS系列MOSFET高頻感應(yīng)加熱電源以及1臺IPS系列IGBT中頻感應(yīng)加熱電源搭建試驗臺，對一件12齒的齒輪工件進行同步雙頻感應(yīng)加熱的試驗，驗證了該雙頻拓撲結(jié)構(gòu)和參數(shù)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(yīng)加熱；同步雙頻；齒輪淬火

1 引言
全球能源匱乏和自然環(huán)境的污染問題日益加劇，先進熱處理制造技術(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)點而備受重視。
感應(yīng)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(tǒng)加熱方式相比，其速度快、清潔程度好、能精確加熱、能耗低、易于操作且自動化程度高。我國熱處理行業(yè)的“十二五”發(fā)展規(guī)劃中就明確提出了發(fā)展感應(yīng)加熱工藝、設(shè)備及相關(guān)技術(shù)的重要發(fā)展目標。同步雙頻感應(yīng)加熱電源技術(shù)不僅精簡了齒輪的制造工藝，也降低了成本和能耗。因此，齒輪同步雙頻感應(yīng)淬火對于科學(xué)研究和工業(yè)應(yīng)用都具有重要意義。

2 感應(yīng)加熱電源用于齒輪淬火
感應(yīng)加熱電源有串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振兩種結(jié)構(gòu)。除逆變器結(jié)構(gòu)的區(qū)別之外，前者采用大電容濾波，后者采用大電感濾波。感應(yīng)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(yīng)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(shù)容易控制等特點。然而對于類似齒輪這樣具有凹凸表面結(jié)構(gòu)的工件而言，采用常規(guī)的單頻感應(yīng)加熱技術(shù)無法達到令人滿意的處理效果。
在對非均勻柱狀器件的表面加熱時，為達到均勻的加熱深度，工件的不同部分在感應(yīng)加熱時需要不同的頻率。齒輪存在齒頂和齒根，采用高頻感應(yīng)加熱齒輪表面淬火，感應(yīng)電流產(chǎn)生的熱量在表面迅速傳導(dǎo)，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(yīng)力，導(dǎo)致斷裂的發(fā)生。采用中頻感應(yīng)加熱齒輪表面淬火，熱量在齒根傳導(dǎo)，由于齒根的凹面形狀，熱量在傳導(dǎo)過程中以指數(shù)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，齒輪感應(yīng)加熱過程需分為兩個階段；但使用雙頻感應(yīng)加熱電源時，加熱過程可在同一階段完成，提高了工作效率。具體操作為：高頻用來加熱靠近感應(yīng)電源的器件表面部分，如齒輪的凸起邊緣；中頻用來加熱齒根。

3 同步雙頻感應(yīng)加熱電源電路原理分析
3．1 同步雙頻感應(yīng)加熱電源
為了達到使齒輪加熱淬火過程中幾何表面受熱均勻的目的，將中頻感應(yīng)加熱電源與高頻感應(yīng)加熱電源相結(jié)合。同步雙頻感應(yīng)加熱技術(shù)把中頻和高頻連接到一個共同的輸出端，使用共同的感應(yīng)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(yīng)加熱淬火過程中無需頻率的變化，而是使中頻和高頻電源同步作用到一個感應(yīng)器上，將一個中頻基頻振蕩作用在一個高頻振蕩上。中頻和高頻的幅值是相互獨立控制的，根據(jù)工作狀態(tài)的需求各自進行功率及頻率的調(diào)節(jié)，使得感應(yīng)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(jié)合時，中高頻比例、實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時需要較高的頻率，大于2 mm時需要的頻率更偏中頻。
3．2 同步雙頻感應(yīng)加熱電源電路結(jié)構(gòu)
雙頻感應(yīng)電源采用雙逆變橋結(jié)構(gòu)，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。高頻和中頻同時輸出到一個感應(yīng)器，兩種頻率的電源幅值和頻率各自被調(diào)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。