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DEPARTAMENTO DE ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
CARRERA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA
ASIGNATURA: ELECTRÓNICA DE POTENCIA
TEMA: COCINA DE INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA
Sangolquí, 13 de Diciembre, 2012
Título:Convertidores de energía aplicados a una cocina de Inducción
Autores:
Raúl Noboa [email protected] Palacios [email protected] ChangoluisaKarla Quiñonez [email protected] Andrés Vargas [email protected]és PérezCarlos DuqueGabriela Pazmiño
Resumen
El calentamiento por inducción es un método de transmisión decalor de forma rápida y eficiente pudiendo aplicarse enmuchas operaciones industriales y domésticas. La inducciónelectromagnética se basa en una corriente alterna que circulapor un conductor en forma de bobina (inductor), generando uncampo magnético que está en sentido perpendicular a lacorriente; este dependerá del número de espiras y la magnitudde la corriente. Su mayor concentración se encuentra en elnúcleo de la bobina Si se coloca un material ferromagnéticodentro del campo magnético inducido, se inducen corrientes
eléctricas mayormente concentradas en la superficie conocidascomo parásitas o de focault, estas corrientes se cierrandentro del mismo medio produciendo calor debido al efectojoule.
Abstract
Induction heating is a method of heat transfer quick andefficient and can be applied in many industrial and domesticoperations. Electromagnetic induction is based on analternating current flowing through a conductor into a coil(inductor), generating a magnetic field that is perpendicularto the flow direction, this will depend on the number ofturns and the current magnitude. The higher concentration isin the core of the coil If a ferromagnetic material withinthe induced magnetic field is placed, electric currents areinduced mainly concentrated in the known as eddy or eddysurface, these streams are locked into the same mediumproducing heat due the Joule effect.
Palabras claves
Material ferromagnético Bobina de inducción Corrientes de focaultIGBTCircuito resonante Material vitrocerámico
Introducción
En estos tiempos de un consumo energético que busca nuevasalternativas para su eficiente uso, aparecen las cocinas deinducción, alrededor de los años cincuenta la división defrigoríficos de General Motors hizo una demostración concocinas en una gira por los Estados Unidos. A principios delos años setenta se realizaron nuevos estudios en conjuncióncon el Centro de Investigación y desarrollo de WestinghouseElectric Corporation. Ese desarrollo se hizo público en 1971durante la exposición llevada a cabo por la NationalAssociation of Home Builders. Como podemos dilucidar, lascocinas de inducción llevan en el mercado mundial variosaños, por tanto es imperativo que haya un impulso en estetipo de tecnología en nuestro país debido a que eseficientemente viable. Por esta razón se realizó un estudiohacia la inducción electromagnética y como controlarla parapoder aprovechar al máximo este principio que solamente actúaen materiales ferromagnéticos, para mejor la velocidad decocción y desaparecer la dependencia del consumo decombustibles fósiles como es el gas.
Objetivo General
Aplicar los conocimientos adquiridos en la materia deelectrónica de potencia encaminada a un productoeficiente y energéticamente ahorrador como es una cocinade inducción.
Objetivos Específicos
Utilizar la teoría de convertidores de energía paralograr la potencia que requeriremos en un producto quefunciona a base de inducción electromagnética.
Aplicar la teoría expuesta acerca de inversores, asícomo su control de frecuencia para entregar la energíasegún la necesidad de la cocción de los alimentos.
Utilizar las pérdidas que generan las corrientesparásitas en el material ferromagnético para entregaruna cantidad alta de energía, por medio de la bobina deinducción.
Aplicar la teoría de protecciones para elementos depotencia, tanto para temperatura, como para sobrevoltajes y sobre corrientes, para la protección sobretodo del circuito de control, que requiere mayortecnología y por tanto tiene mayor costo.
Desarrollo
El calentamiento por inducción es un método de transmitircalor de forma rápida y eficiente pudiendo aplicarse enmuchas operaciones industriales y domésticas
Figura 1 Partes de una cocina de inducción tomado de www.slideshare.net/induccion-electromagnetica
PrincipioLa inducción electromagnética se basa en una corrientealterna que circula por un conductor en forma de bobina(inductor), generando un campo magnético que está ensentido perpendicular a la corriente; este dependerá delnúmero de espiras, la magnitud y frecuencia de lacorriente. Su mayor concentración se encuentra en elnúcleo de la bobina
Figura 2 Bobina y campo magnético generado al circular corriente tomado de dewww.slideshare.net/ induccion-electromagnetica
Corrientes parásitas o de focault
Si se coloca un material ferromagnético dentro del campomagnético inducido, se inducen corrientes eléctricasmayormente concentradas en la superficie conocidas comoparásitas o de focault, estas corrientes se cierran dentrodel mismo medio produciendo calor debido al efecto joule.El campo magnético alterno también produce sucesivasmagnetizaciones y desmagnetizaciones en el materialsometido al campo que se traduce en sucesivos ciclos dehistéresis los cuales producen pérdidas de energíaelectromagnética que se traducen en calor. Finalmente elcalor se difunde al seno del elemento por conducción
Figura 3 Efecto de las corrientes parásitas calentamiento por inducción tomado dewww.slideshare.net/ induccion-electromagnética
En definitiva, lo que constituye un fenómeno indeseable enlos circuitos eléctricos, en transformadores y motores, esdecir, las pérdidas provocadas por la inducciónelectromagnética se ha convertido en una herramienta deaplicación muy difundida a partir de los desarrollos en latecnología del estado sólido, el uso de transistores apermitido alcanzar oscilaciones o frecuencias del campomagnético tan amplias como desde 60 Hz hasta los 60 MHz y porende se pueden lograr temperaturas de miles de grados condistinta profundidad de alcance sobre el cuerpo a calentar,en tiempos mínimos, con gran precisión y consistencia.
Ventajas del calentamiento por inducción
Ausencia de contacto físico Generación del calentamiento en el lugar requerido Ausencia de pérdidas en transferencias calóricasRapidez y precisión Fácil automatización y control del ciclo de trabajo
Aplicaciones Las aplicaciones más difundidas del calentamiento porinducción son :
Tratamientos térmicos: recocido, templado, endurecidosuperficial Fusión, forjado en caliente Soldaduras de bronce, termoplásticos, entre otrosCocinas de inducción
Corrientes parásitas de Focault
Las corrientes parasitas se produce cuando un conductoratraviesa un campo magnético variable, o viceversa. Elmovimiento relativo causa una circulación de electrones, ocorriente inducida dentro del conductor. Estas corrientescirculares crea electroimanes con campos magnéticos que seoponen al efecto del campo magnético aplicado. Cuanto másfuerte sea el campo magnético aplicado, o mayor laconductividad del conductor, o mayor la velocidad relativa demovimiento, mayores serán las corrientes parasitas y loscampos opositores generados.
Las corrientes parasitas crean pérdidas de energía a travésdel efecto Joule. Dichas corrientes transforman formas útilesde energía, como la cinética, en calor no deseado. A su vezdisminuyen la eficiencia de muchos dispositivos que usancampos magnéticos variables, como los transformadores denúcleo de hierro y los motores eléctricos.
Una variación del flujo magnético induce una corriente enpiezas metálicas, estas corrientes son las que denominamos. Através de cualquier camino o línea cerrada que consideremosde una pieza metálica existirá una variación del flujomagnético que inducirá una corriente que se opondrá a dichavariación según la ley de Lenz.
El uso de transistores a permitido alcanzar oscilaciones ofrecuencias del campo magnético de 60 Hz hasta 60 MHz con lo
que se puede lograr incluso miles de grados con distintaprofundidad de alcance en la pieza que se quiera calentar.
Figura 4 Bobina de inducción para hornos industriales tomado dewww.slideshare.net/ induccion-electromagnetica
Parámetros de Potencia para hornos de inducción
La fuente de potencia suministra un voltaje de 300 a 480 Vque luego serán rectificados e ingresados al conversor defrecuencia para lograr el campo magnético en espiral.Existe una estrecha relación entre la frecuencia deoperación de la corriente que genera el campo y laprofundidad del material o pieza a calentar
Cuanto mayor sea la frecuencia de operación, menor es laprofundidad de operación; es decir, más superficial es elefecto. Las frecuencias bajas de 5-30 kHz se utilizan para unapenetración profunda de calor, mientras que las altasfrecuencias de 100-400 kHz para piezas pequeñas deescasa penetración.La potencia de la fuente determina la velocidad relativadel calentamiento de la pieza, los equipos menores de 5-15
kW y los mayores de 50-200 kW requieren refrigeración deagua.
Figura 5 Elementos básicos para una alimentar una bobina de inducción tomadode www.slideshare.net/ induccion-electromagnética
Componentes del calentamiento por inducción
Sistema de alimentación eléctrica
Se encarga de suministrar la energía necesaria para lograr elcalentamiento por inducción, normalmente se utiliza laenergía doméstica donde tenemos voltajes de 110v o 220v y 50 Hz o 60Hz ; si quisiéramos mayor potencia necesitaríamosvoltajes industriales.
Rectificación
Se encarga de la conversión de energía alterna en energíacontinua mediante un puente de diodos de onda completa con undeterminado amperaje necesario para la cocina de inducción.
Inversor de alta frecuencia
Esta etapa se convierte la energía continua rectificada aenergía alterna pero controlando la frecuencia que senecesita a la salida; como pudimos observar anteriormente,necesitamos de altas frecuencias para que el calentamientosea superficial, por lo que nos servirá completamente paracalentar una olla de material ferromagnético.
Bobina de inducción
Es un elemento muy importante, ya que esta genera los amposmagnéticos en las proximidades del material a calentar, sudisposición geométrica depende del tipo de aplicación que sele dará y también la geometría del material que se proceda acalentar ya que el campo producido es perpendicular a lamisma.
Tipos de bobinas
Figura 6 Tipos de bobinas de inducción tomado de webdelprofesor.ula.ve/electropot
Formulación matemática
Las corrientes eléctricas parásitas tienen el efecto detransforma gran parte de la energía en calor. Para el estudiode estas pérdidas consideraremos:
Chapa de longitud bAltura x Grosor a Sometido a un campo variable (alterno) de valor
Para un cilindro tenemos la siguiente fórmula debido a que ladistribución de cargas en el área del mismo no son uniformes
d =Diámetro del cilindro [m] h=altura del cilindro [m]H=Intensidad del campo magnético [A/m]ρ = resistividad [Ω*m]μ0 = permeabilidad magnética de vacío (4πx10−7 H
m)
μr = permeabilidad relativaf = Frecuencia [Hz]C = factor de acoplamientoF = factor de transmisión de potencia
C (factor de acoplamiento)
Corrección para las dimensiones del inductor y la carga. Lacorrección es más pequeña si el inductor es más largo y elespacio entre el inductor y la carga es más pequeño
F(factor de transmisión de potencia)
Toma en cuenta la relación de profundidad de penetración ylas dimensiones externas de la carga
La potencia puede incrementarse debido a que es directamenteproporcional a la intensidad del campo magnético (H). Estosignifica incrementar el bobina del inductor. El materialserá determinante para la máxima transferencia de potenciadebido a que características como la permeabilidad relativa yla resistividad tienen valores adecuados para trabajar conaltas temperaturas y pocas pérdidas en la fuente.
La eficiencia eléctrica está dada por la fórmula :
ƞ=P
P+PiDonde Pi es la potencia de entrada y P la de salida
Profundidad de penetración
Una característica de la corriente alterna es que seconcentra en la parte externa de conductor. La profundidad depenetración determina un efecto conocido como efecto piel.Cuanto más grandes sean las corrientes en el conductor más seconcentrarán estas en la superficie, como consecuencia delefecto de difusión de un campo magnético.
La profundidad de penetración se pueden deducir de lasecuaciones de Maxwell. Para una carga cilíndrica con undiámetro mucho mayor a la profundidad de penetración, lafórmula es la siguiente
δ=√ ρπf μ0μr
ρ = resistividad eléctrica [Ω*m]μ0 = permeabilidad magnética de vacío (4πx10
−7 Hm)
μr = permeabilidad relativaf = Frecuencia de trabajo [Hz]δ = profundidad de penetración
Por lo visto, la dependencia de la penetración radica en elmaterial así como también en la frecuencia. La frecuenciapuede ser un instrumento para controlar la penetración delmaterial
Tabla 1 profundidad de penetración tomado de www.frro.utn.edu.ar/repositorio
Resistencia equivalente
Para piezas con geometría cilíndrica la expresión se escribeasí:
KR=1−e−2rδ Req=KRN
2ρ∗(2πrδl )N = número de espiras del inductor de calentamientoL = longitud de la pieza cilíndrica
ρ = resistividad del material R = radio de la pieza cilíndricaδ = profundidad de penetración
Propiedad de los inversores resonantes:
La calidad de onda no debe poseer muchos armónios.Con la fórmula de la distorsión armónica:
Dn= VnV1
Donde Vn y V1 representan el valor eficaz de la armónica n yfundamental respectivamente.
Distorsión armónica total:
Factor de distorsión total
Circuito resonante equivalente:
Tenemos un circuito equivalente (c) que contempla la cargaRL.
Calculo de la capacitancia y de la inductancia del circuitoresonante
Corriente:I=
2πPV
Valor de la capacitancia:C= 1
2π.f.VValor de la inductancia:
L=1
(2π.f )2C
Debemos considerar la forma de la bobina, en número devueltas, el tipo de carga y sus características.
Análisis del circuito de potencia:
El siguiente es el circuito de potencia:
* Selección del filtro capacitivo de entrada:
El filtro de entrada del circuito de potencia se seleccionade acuerdo a las características del circuito, de acuerdo ala aplicación del circuito resonante. El valor del capacitorpara este circuito es de 2uF. El filtro sirve para evitarperturbaciones en la alimentación al circuito de control quepuede causar la red eléctrica.
* Diseño del rectificador
Para el cálculo se considera la potencia máxima que se puedetrabajar.
P=V.I
Hemos considerado una potencia de 100W
I=PV
=1000110
=9.09 [A ]
Vpico=2∗110∗√2Vpico=311 [V ]
Irectificado=1.5∗IentradaIrectificado=1.5∗9.09=13,6 [A ]
Puente rectificado de 400 [V] y 15 [A]
* Diseño del filtro LCEl filtro no ayuda absorber las corrientes armónicas causadaspor las conmutaciones del inversor resonante.
Un filtro pasabajos de 20kHz a 30KHz
Con el valor de C=10uf
entonces tenemos:
Inversor cuasi resonante:
Calculamos la corriente, teniendo en cuenta que el diseño esde 1000 w
Ientrada=9.09 [A ]
La frecuencia debe ser superior a 20KHz para ser audible. Seha escogido una frecuencia de resonancia igual a24Khz.
fo= 12π√L∗C
Donde:fo = frecuencia de resonancia.Colocando una capacitancia de 0.33 uf
Despejando L;
L=1
0.33uF (2∗24KHz∗π)2
Iresonante=2π∗PV
Iresonante=2π∗1000110∗1.41
=40,4 [A ]
Vc=40,4
0,33uF∗2π∗24000=811,4 [V ]
Imax=9,09∗√2
Imax=12,85 [A ]
Cuando el IGBT está abierto, el voltaje colector-emisor esigual a la suma del voltaje a la salida del rectificador másel voltaje del capacitor
Vcemax=Vrectificador+VcVcemax=110∗1.41+881,4=966,96 [V ]
