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境的污染問題日益加劇，先進熱處理制造技術由于具有可減少能耗、降低成本和減少環境污染的優點而備受重視。
感應加熱淬火電源技術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、易于操作且自動化程度高。我國熱處理行業的“十二五”發展規劃中就明確提出了發展感應加熱工藝、設備及相關技術的重要發展目標。同步雙頻感應加熱電源技術不僅精簡了齒輪的制造工藝，也降低了成本和能耗。因此，齒輪同步雙頻感應淬火對于科學研究和工業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諧振和并聯諧振兩種結構。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。然而對于類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，采用高頻感應加熱齒輪表面淬火，感應電流產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，齒輪感應加熱過程需分為兩個階段；但使用雙頻感應加熱電源時，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把中頻和高頻連接到一個共同的輸出端，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，根據工作狀態的需求各自進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。將中頻(10～25 kHz)及高頻(200～900 kHz)結合時，中高頻比例、實際使用頻率主要取決于加熱深度。總體而言，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，高頻電源采用串聯逆變器，中頻電源采用并聯逆變器。高頻和中頻同時輸出到一個感應器，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。