1　前言
　　感應加熱裝置是指利用電流產生的磁場非接觸地對感應器內的金屬工件實現(xiàn)渦流加熱的設備裝置。感應器一般由環(huán)形的通水銅管制成，其滿載時的品質因數(shù)Q(感應器的無功功率與有功功率之比)可達10～15。為了減小裝置的容量，將負載電路設計為由感應器和補償電容器組成的諧振電路^［1］。目前所采用的絕大部分是并聯(lián)諧振電路，其特征是回路的電流諧振?；芈返闹C振電流值可近似為裝置輸出電路的Q倍。象常用的500 kW/1 000 Hz中頻電源配備0.5 t感應爐(額定電壓為1 500 V)，其諧振回路的諧振電路可達5 000 A；電流頻率為1 000 Hz。諧振回路的特點是電流大、頻率高。而在裝置補償電容柜內匯流母線上的電流分布呈階梯形逐漸下降，在同一根母線上電流密度相差懸殊。而現(xiàn)在所用母線多為等截面的銅排，這就顯得很不合理。假如按補償電容柜內電流值來考慮其截面，則小電流處的截面就顯得過于浪費；又假如按補償電容柜內母線的平均電流來設計其母線的截面，則母線的電流處會嚴重發(fā)熱，增加功耗，進而降低了裝置的系統(tǒng)效率。因此，電容柜內母線的理想形狀應該是與電流大小相應的階梯狀。又由于諧振回路的諧振電流頻率較高，來回母線間的距離又小，嚴重的“集膚效應”和“鄰近效應”將影響母線內的電流分布^［2］。這也是在設計該母線時不得不考慮的又一問題。

2　母線的設計
　　感應加熱中頻電源大部分工作在500～8 000 Hz的頻率范圍，其母線形狀和尺寸的合理設計不僅與流過母線電流的大小和分布有關，而且與流過母線電流的工作頻率也有密切關系。
2.1　補償電容柜內母線的電流分布
　　由于感應器的Q值達10～15，功率因數(shù)cos 極低(一般小于0.1)，裝置所需要的補償電容容量近似為裝置功率的Q倍。因此，作為諧振回路一部分補償電容的數(shù)量就很多，一般多達數(shù)十只。流過母線的電流很大，而且分布極不均勻。
　　作為感應加熱裝置負載諧振回路的結構示意圖如圖1所示。

圖1　諧振回路的結構示意圖

　　圖中，L為感應器；C₁～C_n為電熱電容器；M₁、M₂為諧振回路的母線；J₁～J_n為電容器在母線上相應的接點。
　　母線上的電流分布如圖2所示。
　　從圖2中可以看到，每經過一個接點，母線上的電流就要下降相應單個電容器的額定電流值(當裝置的輸出電壓為額定電壓時)。母線上的電流大小變化有規(guī)律，且頭尾相差懸殊，極不平衡。

圖2　匯流母線上電流的分布曲線

2.2　母線上的集膚效應和鄰近效應
　　根據(jù)電磁場理論，母線上流過交變的電流時，其內部就會產生感應電勢。電流沿截面的分布是不均勻的。靠近母線表面處電流密度；越到母線的內部，電流密度就越小。這種趨于表面的現(xiàn)象叫做“集膚效應”。經理論分析，母線中的電流密度沿截面的軸線方向按自然指數(shù)函數(shù)下降，如圖3a所示。

(a)單匯流排的集膚效應　　(b)雙匯流排的鄰近效應

圖3　母線的集膚效應和鄰近效應趨勢圖

　　從圖3a可以看出，電流主要集中在導體的表面；電流頻率越高，集膚效應現(xiàn)象就越明顯。我們常用透入深度Δ₀來表示電流的集膚程度：

　　式中：ρ為母線導體的電阻率，Ω^.cm；μ_r為母線導體的相對導磁率；f為流過母線電流的頻率，Hz。
　　特別指出，由于要求諧振回路母線的壓降盡可能小，母線M₁和M₂之間的距離應盡可能短^［3］。由此，電流方向相反的母線M₁和M₂還會產生“鄰近效應”。使得母線M₁和M₂的電流進一步集中在母線的內側。
2.3　母線的合理設計
　　根據(jù)以上的分析，我們設計諧振回路母線將遵循以下幾個原則和步驟：
　　(1)考慮集膚效應和鄰近效應，并根據(jù)流過母線電流的頻率確定母線的厚度，在保證有足夠的機械強度下，一般近似地選?。篸≈2Δ₀。除非Δ₀太小而必須考慮母線的機械強度。
　　(2)選取適當?shù)碾娏髅芏?br />　　電流密度的選取，始終存在著節(jié)能和省材的矛盾。這對矛盾在不同的場合，應該有不同的側重面。人們常規(guī)的選取額度為：銅質取6 A/mm²；鋁質取4 A/mm²。但在諧振母線這樣用線相對較短、電流又相對較大的場合，我們主要應該盡可能地考慮節(jié)能的效果。實踐的經驗告訴我們：在感應加熱裝置中，諧振回路母線的電流密度在自然風冷條件下取2 A/mm²，而在通水冷卻條件下取5 A/mm²是適當?shù)摹?br />　　(3)根據(jù)電流的大小、已選取的電流密度和母線的有效厚度，求取母線的高度。
　　(4)再根據(jù)母線電流的分布曲線，并考慮到加工的簡單性和可行性來確定母線的實際形狀和尺寸。
　　根據(jù)以上四個原則和步驟，我們改進了幾十年來一直沿用的諧振回路母線形狀和尺寸，設計為圖4所示的變截面諧振回路母線。

圖4　改進前、后諧振回路母線的形狀示意圖

　　改進后的母線，電流密度的選取更趨合理；母線截面的厚度、寬度以及母線之間的間距等的設計更具有節(jié)能的效果；母線縱向變截面形狀的合理設計更符合省材的經濟原則。

3　結語
　　應用于感應加熱裝置中諧振回路母線的設計，必須考慮到“集膚效應”和“鄰近效應”對其電流分布所帶來的嚴重影響。它的形狀和尺寸在以電流大、頻率高為主要特征的感應加熱裝置中顯得尤為重要。適當?shù)碾娏髅芏群秃侠淼哪妇€結構與尺寸對裝置的經濟運行和節(jié)約成本都是必要的。經過改進后的諧振回路母線與原來使用的母線相比既節(jié)能又省材，更趨于合理、經濟，可謂一舉兩得。這一方案已得到了有關生產廠家的重視和實際應用，并具有一定的經濟效益和社會效益。