電感負(fù)載與能量不守恒（二）
電感是儲(chǔ)能元件并不消耗能量，通過電感的電流落后加在其上的電壓90°，電感“消耗”的功率是無功功率。在直流供電系統(tǒng)中，如果負(fù)載是電感（理想狀況，實(shí)際狀況是電感+電阻），由于電感的儲(chǔ)能作用，通電以后就會(huì)在電感中儲(chǔ)存有磁場能量，為使電感能持續(xù)地工作下去，就必須將電感儲(chǔ)存的磁能轉(zhuǎn)移出去，于是，就在電路里設(shè)置了讓儲(chǔ)存在電感里的磁場能量返回“電源”的回饋路徑，或者是在電感上反并聯(lián)一只二極管構(gòu)成電感的自身續(xù)流通道，同時(shí)還要有轉(zhuǎn)移能量的時(shí)間。
以上所述是眾所周知的，這就引出一個(gè)問題：這個(gè)“電感儲(chǔ)存的能量”算什么呢？電源供出的能量又回饋給電源，“能量守恒定律”還成立嗎？
能量守恒定律是經(jīng)典物理學(xué)的“鐵律”，不遵循“能量守恒定律”，許多物理推斷都推不下去。因此也是經(jīng)典物理學(xué)的“高壓線”，誰碰這根高壓線誰就有制造“永動(dòng)機(jī)”的嫌疑。但是用“能量守恒定律”是解釋不了“電感儲(chǔ)存的能量”算什么這個(gè)問題的，也就使得許多問題找不到答案變成荒謬的悖論。下面進(jìn)一步分別論述。
一、單相全橋電壓源逆變電路：以上見前文。
二、家用電磁爐
家用電磁爐是單管并聯(lián)諧振型變流器，通過它的電磁線圈的電磁感應(yīng)將能量傳給副邊的負(fù)載（電阻負(fù)載）。
據(jù)資料介紹，家用電磁爐的電磁線圈的電阻為0.6歐姆，如果家用電磁爐工作在諧振狀態(tài)，負(fù)載特性是電阻性的，按220V計(jì)算，2000瓦時(shí)的平均電流為9.09A，線圈電阻上的熱消耗（有功消耗）為50瓦（2.5%），副邊反射到原邊的阻抗為約23.6歐姆消耗97.5%的有功功率。將副邊的阻抗反射到原邊去消耗有功功率的本質(zhì)是電磁線圈通過電磁感應(yīng)將無功功率傳遞到副邊變成有功功率，這是用“能量守恒定律” 牽強(qiáng)附會(huì)的解釋。
翻開JJF 1261.3——2010，“家用電磁灶能源效率標(biāo)識(shí)計(jì)量檢測(cè)規(guī)則”，能源效率等級(jí)1級(jí)熱效率達(dá)到90%，有些文章介紹按照這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試程序測(cè)定的熱效率，在2000 W功率時(shí)測(cè)得的熱效率達(dá)到大于93.4%。筆者按照上述標(biāo)準(zhǔn)程序，粗略地測(cè)了，熱效率達(dá)到大于83%，高于能源效率等級(jí)5級(jí)。這應(yīng)該說是符合“能量守恒定律”的，而且熱效率很高。
電磁爐是一個(gè)整體是毫無疑問的，但是被分成電和磁兩個(gè)部分進(jìn)行研究，各說各的話，各唱各的調(diào)，并不統(tǒng)一。電磁爐的磁系統(tǒng)是一個(gè)開放的磁路，磁路是通過空氣然后閉合的。在約翰.戴維斯所著的《感應(yīng)加熱手冊(cè)》1985 版中，p54頁說到：“感應(yīng)圈和在非磁性狀態(tài)下線圈與負(fù)載的固有功率因數(shù)是0.6~0.7，完全是空氣隙使它減小到0.13?！狈催^來看，前述及的大于83%的熱效率簡直就是天文數(shù)字。
用電磁仿真計(jì)算軟件ANSYS，對(duì)電磁爐的磁路簡化建模進(jìn)行有限元數(shù)字計(jì)算，未計(jì)及電磁線圈盤下面的磁條，其靜態(tài)磁場如下圖。
[電磁爐——靜磁分析]
線圈盤內(nèi)徑20mm，外徑230mm，厚度3mm，截面積s=115*3=345mm2=3.45E-04，匝數(shù)N=25，
鐵鍋厚度0.5mm，直徑280mm，間隙1mm。
激勵(lì)電流20A，NI=500AT，J=1449275A/m2
Hmax=5812 A/m Bmax=0.203961 T
在包含空氣、電磁線圈和鐵鍋的系統(tǒng)中，各部分的能量如下：
SUMMARY OF STORED ENERGY CALCULATION
Load Step Number: 2.
Substep Number: 1.
Time: 0.2000E+01
Material Number of Stored Energy Material Description
Number Elements ( J )
空氣 1. 1559. 0.71814E-02 90.5% Linear Isotrp. . .
線圈 2. 866. 0.58066E-03 7.3% Linear Isotrp.
鐵鍋 3. 187. 0.17141E-03 2.16% Nonlin. Isotrp.
_____________________________________________________________________
T O T A L 2612. 0.79335E-02
其中，空氣中包含的能量占到了90.5%，而鐵鍋里的能量只有2.16%。
雖然有線圈盤下面的磁條的集流作用提高了電磁爐的實(shí)際效率，但也不至于就從2.16%提高到83%，甚至是93%以上。
從家用電磁爐的電路工作原理看，結(jié)構(gòu)是“單管并聯(lián)諧振”，如下圖。
當(dāng)IGBT導(dǎo)通時(shí)，電感和電容同時(shí)通過電流，電源供給能量。而當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)電源停止供給能量，電感和電容進(jìn)行諧振，電場和磁場能量互相交換，由于有電流在電感中流動(dòng)，通過磁場就有能量傳遞給鐵鍋。姑且暫將這部分由電磁作用產(chǎn)生的能量稱之為“電磁能”，正是由于電磁能使電磁爐的電部分的效率超出了100%，彌補(bǔ)了磁部分的低效率，使整個(gè)電磁系統(tǒng)的總效率達(dá)到那么高的水平。這更進(jìn)一步說明，能量守恒定律在電磁學(xué)范疇是不成立的。
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