UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS ESPE EXTENSIÓN LATACUNGA
CARRERA DE INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA
“Simulación y paper amigable de una bobina de inducción para
calentamiento, por falta de conocimiento sobre la inducción electromagnética debido al anuncio del presidente de la república sobre la implementación de las cocinas de inducción, en la ciudad de Latacunga barrio San Sebastián.”
FABARA VARGAS GALO ARTURO
LATACUNGA, MAYO 2014
RESUMEN Las bobinas de inducción correctamente diseñadas, fabricadas y reparadas son esenciales para la eficacia global de las soluciones de calentamiento por inducción. La inducción es un método de calentamiento sin contacto ni llama que puede poner al rojo vivo en segundos una sección determinada de una barra metálica con gran precisión. ¿Cómo es esto posible? Mediante una corriente alterna que fluye a través de una bobina, se genera un campo magnético. La fuerza del campo varía en función de la frecuencia aplicada a la alternancia que pasa a través de la bobina. El campo se concentra en el área contorneada por la bobina; mientras que su magnitud depende de la fuerza de la corriente y el número de espiras en la bobina. Las corrientes de Foucault son inducidas en cualquier objeto conductor de electricidad, por ejemplo una barra de metal, colocada dentro de la bobina. El fenómeno de resistencia genera calor en el área donde fluyen las corrientes de Foucault. Si se incrementa la fuerza del campo magnético, también se incrementará el efecto de calentamiento. Sin embargo, el efecto total de calentamiento también está influenciado por las propiedades magnéticas del objeto y la distancia entre esta y la bobina.
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ABSTRACT
The induction coils properly designed, manufactured and repaired are essential to the overall efficiency of the induction heating solutions. Induction is a method of non-contact heating or flame can put red hot in seconds a given section of a metal bar with great precision. How is this possible? By an alternating current flowing through a coil, a magnetic field is generated. Field strength varies with the applied frequency of the alternating passing through the coil. The field is concentrated in the area outlined by the coil; while its magnitude depends on the strength of current and the number of turns in the coil. Eddy currents are induced in any electrical conducting object, for example a metal rod, inserted into the coil. The phenomenon of resistance generates heat in the area where the eddy flow . If the magnetic field strength is increased, the heating effect is also increased. However, the total heating effect is also influenced by the magnetic properties of the object and the distance between this and the coil.
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Contenido
RESUMEN ............................................................................................................................................ I ABSTRACT ........................................................................................................................................... II CAPÍTULO I.......................................................................................................................................... 1 GENERALIDADES................................................................................................................................. 1 1.1
INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 1
1.2
OBJETIVOS GENERALES Y ESPECÍFICOS .............................................................................. 2
OBJETIVO GENERAL .................................................................................................................... 2 OBJETIVOS ESPECIFICOS ............................................................................................................. 2 CAPITULO II......................................................................................................................................... 3 2.1
UN CAMPO MAGNÉTICO INDUCE CORRIENTE ELÉCTRICA ................................................. 3
2.2.1
Propiedades de la fuerza magnética .............................................................................. 3
2.3
Ley de ampere .................................................................................................................... 5
2.4
INDUCCIÓN MAGNÉTICA .................................................................................................... 5
2.4.1
Ley de Faraday ............................................................................................................ 5
2.4.2
Ley de Lenz ................................................................................................................. 6
2.4.3
Corrientes de Eddy ..................................................................................................... 6
2.4.4
Ecuaciones de Maxwell1 ............................................................................................. 6
2.5
Flujo magnético .................................................................................................................. 7
2.6
PRINCIPIO DE CALENTAMIENTO POR INDUCCIÓN. ............................................................ 8
2.7
APLICACIONES DEL CALENTAMIENTO POR INDUCCIÓN .................................................... 9
2.8 CARACTERISTICAS DEL CALENTAMIENTO POR INDUCCION ................................................... 10 3
CAPITULO III.............................................................................................................................. 11 3.1
Método deductivo ............................................................................................................ 11
3.2
Método de análisis ........................................................................................................... 11
3.3
Método de síntesis ........................................................................................................... 11
3.4
Método dialéctico. ........................................................................................................... 11
3.5
Histórico lógico. ................................................................................................................ 12
3.6
Método estadístico........................................................................................................... 12
4
CAPITULO IV ............................................................................................................................. 13
4.1
CONCLUSIONES .................................................................................................................... 13
4.2
RECOMENDACIONES ........................................................................................................ 14
4.5
RESULTADOS..................................................................................................................... 15
III
BIBLIOGRAFÍA .......................................................................................Error! Bookmark not defined.
IV
Ilustración 1 Fuerza de campo magnético ......................................................................................... 4 Ilustración 2 Voltaje generado por inducción .................................................................................... 5 Ilustración 3 Flujo magnético. ............................................................................................................ 8 Ilustración 4 Principio del calentamiento por inducción.................................................................... 8 Ilustración 5 Fenómeno de inducción ................................................................................................ 9
V
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Se observa que la población ecuatoriana en su mayoría desconoce sobre el principio de inducción electromagnética. Esto nos permite inferir que la elaboración de un documento informativo (paper) ayudará a despejar las dudas de las personas sobre el tema de inducción.
IMPORTANCIA Y JUSTIFICACIÓN Al no tener un buen conocimiento del proyecto que se plantea en nuestro país sobre la implementación de las cocinas de inducción y como es el principio de funcionamiento, lo que se quiere lograr es explicar el principio de funcionamiento de inducción electromagnética mediante la simulación de la bobina de inducción para calentamiento.
Mediante este documento de aporte en este caso un paper se garantizará una pauta para que la población tenga una idea de cómo es el funcionamiento de las cocinas de inducción que se están implementando.
HIPOTESIS Es posible que se reduzca en un 25% la falta de desconocimiento de la población del principio de inducción electromagnética aplicado a las cocinas de inducción, mediante la simulación de la bobina de inducción y la creación del paper amigable
ALCANCE Con este proyecto de diseño y construcción de la bobina de inducción verificaremos como es el principio de inducción y dejaremos en claro a todos los
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compañeros de proyecto integrador III cómo se calienta el metal mediante el principio de funcionamiento antes mencionado.
OBJETIVO GENERAL
Diseñar
y
construir
una
bobina
de
inducción
funcionamiento.
OBJETIVOS ESPECIFICOS
Obtener el material para ser calentado.
Realizar cálculos para la construcción de la bobina.
Analizar los efectos de la bobina de inducción.
Explicar el funcionamiento de inducción de la bobina.
VII
para
explicar
su
CAPÍTULO I GENERALIDADES 1.1 INTRODUCCIÓN Las bobinas de inducción correctamente diseñadas, fabricadas y reparadas son esenciales para la eficacia global de las soluciones de calentamiento por inducción. La inducción es un método de calentamiento sin contacto ni llama que puede poner al rojo vivo en segundos una sección determinada de una barra metálica con gran precisión. ¿Cómo es esto posible? Mediante una corriente alterna que fluye a través de una bobina, se genera un campo magnético. La fuerza del campo varía en función de la frecuencia aplicada a la alternancia que pasa a través de la bobina. El campo se concentra en el área contorneada por la bobina; mientras que su magnitud depende de la fuerza de la corriente y el número de espiras en la bobina. Las corrientes de Foucault son inducidas en cualquier objeto conductor de electricidad, por ejemplo una barra de metal, colocada dentro de la bobina. El fenómeno de resistencia genera calor en el área donde fluyen las corrientes de Foucault. Si se incrementa la fuerza del campo magnético, también se incrementará el efecto de calentamiento. Sin embargo, el efecto total de calentamiento también está influenciado por las propiedades magnéticas del objeto y la distancia entre esta y la bobina.
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1.2 OBJETIVOS GENERALES Y ESPECÍFICOS OBJETIVO GENERAL
Diseñar y construir una bobina de inducción para explicar su funcionamiento.
OBJETIVOS ESPECIFICOS
Obtener el material para ser calentado.
Realizar cálculos para la construcción de la bobina.
Analizar los efectos de la bobina de inducción.
Explicar el funcionamiento de inducción de la bobina.
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CAPITULO II HISTORIA DEL ARTE 2.1 UN CAMPO MAGNÉTICO INDUCE CORRIENTE ELÉCTRICA El descubrimiento de que una corriente eléctrica originaba un campo magnético fue crucial para el desarrollo de la física y la tecnología. Surgió entonces la pregunta: ¿se podría producir electricidad a partir del magnetismo? En aquella época, principios del siglo XIX, los únicos dispositivos que existían para generar corriente eran las celdas voltaicas, que proporcionaban corrientes pequeñas gracias a la disolución en ácido de metales costosos; las celdas voltaicas son las precursoras de nuestras modernas baterías. En 1831 el inglés Michael Faraday y el norteamericano Joseph Henry, casi simultáneamente y trabajando de forma independiente, descubrieron la llamada inducción electromagnética, la generación de corriente eléctrica inducida por un campo magnético variable, base del desarrollo de toda la industria eléctrica actual. Pero además fue el punto de partida del desarrollo de una concepción unitaria de la electricidad y el magnetismo que llevaría a cambiar radicalmente nuestra concepción de la naturaleza.
2.2 DEFINICION DEL CAMPO MAGNETICO Un campo magnético es una descripción matemática de la influencia magnética de las corrientes eléctricas y de los materiales magnéticos. El campo magnético en cualquier punto está especificado por dos valores, la dirección y la magnitud; de tal forma que es un campo vectorial. Específicamente, el campo magnético es un vector axial, como lo son los momentos mecánicos y los campos rotacionales.
2.2.1 Propiedades de la fuerza magnética a) La fuerza magnética es proporcional a la carga q y ña velocidad v de la partícula. b) La magnitud y la dirección de la fuerza magnética depende de la velocidad de la partícula y de la magnitud y dirección del campo magnético. c) Cuando una partícula se mueve en dirección paralela al vector campo
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magnético, la fuerza magnética F sobre la carga es cero. d) Cuando la velocidad hace un ángulo Ɵ con el campo magnético, al fuerza magnética actúa en una dirección perpendicular tanto a v como a B, es decir, F es perpendicular al plano formado por v y B. e) La fuerza magnética sobre una carga positiva tiene sentido opuesto a la misma fuerza que actúa sobre una carga negativa que se mueve en la misma dirección.
Si el vector velocidad hace un ángulo Ɵ con el campo magnético, la magnitud de la fuerza magnética es proporcional al sen Ɵ. De las propiedades descritas se puede escribir la siguiente fórmula para la fuerza magnética
La dirección de B es congruente con la regla de la mano derecha
Ilustración 1 Fuerza de campo magnético
La unidad del campo magnético en el SI es el Webber por metro cuadrado (Wb/m^2), también llamado Tesla (T). Se puede interpretar y relacionar con las unidades fundamentales a la unidad del campo magnetico de la siguiente f orma.
||
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2.3 Ley de ampere La ley de ampere establece que la integral de línea de B.ds alrededor de cualquier trayectoria cerrada es igual a U 0* I donde I es la corriente estable total que pasa a través de cualquier superficie ilimitada por la trayectoria cerrada.1
Generalizando la ley de ampere tenemos:
( ) 2.4 INDUCCIÓN MAGNÉTICA 2.4.1 Ley de Faraday Alejado o cercano a un imán permanente hacia una espira conectada a un galvanómetro, como se muestra en la figura se tiene que cuando se mueve en una dirección al imán, la aguja del galvanómetro también lo hace, si se lo invierte el movimiento del imán la aguja se mueve en la otra dirección.
Ilustración 2 Voltaje gener ado por inducción
La fem inducida en un circuito es directamente proporcional a la rapidez de cambio magnético a través del circuito. 2
1
Salazar Fernando, 2010, Estudio técnico- comparativo del ingreso de cocinas de inducción, Tesis de grado Ing. Mecánica, EPN.
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Si el circuito consta de una bobina de N espiras, todas de la misma área y si el flujo pasa a través de todas las espiras, la fem inducida está dada por:
2.4.2 Ley de Lenz La dirección de la fem inducida y la corriente inducida se determina mediante la ley de Lenz, la cual dice que la polaridad de la fem inducida produce una corriente eléctrica que genera un flujo magnético que se opone al cambio en el flujo magnético a través de un circuito.
2.4.3 Corrientes de Eddy Cuando se tiene un campo magnético variable, se induce una fem y una corriente en un circuito, en la misma forma corrientes circundantes, llamadas corrientes parasitas, se originan en el metal que es sometido a campo magnético variable.
2.4.4 Ecuaciones de Maxwell La contribución de James Clerk Maxwell fue reunir en estas ecuaciones los resultados experimentales de varios años, debidos a: Coulomb, Gauss, Ampere, Faraday y otros; introduciendo los conceptos de campo y corriente de desplazamiento, y unificando los campos eléctricos y magnéticos en un solo concepto: el campo electromagnético. Las ecuaciones son: Conocida como la ley de Gauss, establece que el flujo eléctrico total a través de cualquier superficie cerrada es igual a la carga neta (Q) dentro de esta superficie dividida entre la constante
, esta ley relaciona el campo eléctrico con la
distribución de carga, donde las líneas de campo eléctrico se origina en la cargas positivas y terminan en las cargas negativas.
2
INCROPERA,FRANK; DEWITT, David; Fundamentos de Transferencia de Calor, Prentice Hall; Cuarta edición; México 2006
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Conocida como la ley de Gauss del magnetismo, establece que el flujo magnético total a través de una superficie cerrada es cero, es decir las líneas de campo magnético no puede empezar o terminar en ningún punto.
La ley de inducción de Faraday, la cual describe la relación entre un campo eléctrico y un flujo magnético variable. La ley que la integral de línea de campo eléctrico alrededor de cualquier trayectoria cerrada es igual a la razón de variación de flujo magnético a través de cualquier área superficial limitada por su trayectoria.
La ley dé ampere, la cual describe la relación entre los campos eléctricos y magnéticos y las corrientes eléctricas. La ley enuncia que la integral de línea del campo magnético alrededor de cualquier trayectoria cerrada se determina mediante la suma de la corriente de conducción total a través de la razón de la trayectoria y la razón de la variación del flujo eléctrico a través de cualquier superficie limitada por esa trayectoria.
2.5 Flujo magnético Para describir el flujo magnético se considera un elemento de área Da sobre una superficie de forma arbitraria como se muestra en la figura si el campo magnético de este elemento es B, entonces el flujo magnético a través del mismo es B Da, donde Da es el vector perpendicular a la superficie cuya magnitud es igual a dA.
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Ilustración 3 Flujo magnético.
Por lo tanto, el flujo magnético total por:
a través de toda la superficie esta dado
∫ 2.6 PRINCIPIO DE CALENTAMIENTO POR INDUCCIÓN. El calentamiento por inducción es una aplicación muy directa de la combinación de las leyes del magnetismo (ley de Faraday y Ampere) y del efecto Joule.
Ilustración 4 Principio del calentamiento por inducción
El calentamiento se basa en las leyes de la inducción magnética (ley de Faraday y ley de Ampere) en combinación del efecto Joule.3
∮ 3
GOMEZ, Esteve; Tesis doctoral1999. “Influencia de los componentes parásitos en el análisis y diseño de inversiones resonantes paralelo para aplicaciones de calentamiento por inducción”, universidad de
valencia.
8
Dónde: N es el número de espiras del inductor I es la corriente que lo atraviesa H es el campo magnético L es la longitud del círculo. El calentamiento se produce por la corrientes inducidas de Foucault o de Eddy, las cuales disipan energía en forma de calor como se establece en la ley de Faraday.
Ilustración 5 Fenómeno de inducción
2.7 APLICACIONES DEL CALENTAMIENTO POR INDUCCIÓN En el proceso de transformación de la energía potencial de un fluido en energía cinética o viceversa, se emplean diferentes tipos de máquinas, que pueden clasificarse de la siguiente manera:
Tratamientos térmicos
Forja
Fusión
Soldadura
Cocinas de inducción
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2.8 CARACTERISTICAS DEL CALENTAMIENTO POR INDUCCION La eficiencia energética y termina del proceso de calentamiento por inducción dependen principalmente de dos características.
El efecto piel que caracteriza la distribución de las corrientes inducidas en la pieza. Al aumentar la penetración del campo magnético, disminuye su intensidad y por ende las corrientes inducidas.
La potencia disipada en la pieza caracteriza el rendimiento del fenómeno eléctrico.
Los parámetros más importantes que intervienen en el proceso de calentamiento por inducción son:
La frecuencia de la corriente
La naturaleza del material a calentar y su estado
La intensidad del campo magnético inductor
El acoplamiento entre inductor y pieza a calentar
El tipo de inductor y sus características geométricas
La naturaleza del material conductor del inductor.
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3 CAPITULO III METODOLOGIA DE LA INVESTIGACION
3.1 Método deductivo En el avance de la presente investigación se trabajará en base a los resultados obtenidos de fuentes como CONELEC, CENACE, etc. Y realizando el estudio respectivo en el sector donde se quiere implementar esta nueva técnica de generación.
3.2 Método de análisis A través de la aplicación del presente método; se podrá obtener un esclarecimiento de los aspectos específicos que producen problemas en el área de sectores que no cuentan con servicio eléctrico de tal manera identificar la causa y efectos.
3.3 Método de síntesis Con la ayuda de este método partiremos de lo más simple a lo más complejo, de la causa del analizar la generación eólica en casas particulares y de esa manera ver el costo beneficio de la misma.
3.4 Método dialéctico. El método dialéctico se considera como fenómenos históricos y sociales en continuo cambio de tal manera que se aplicará concibiendo y mirando el desarrollo de la eficiencia y eficacia de las actividades relacionadas al estudio sobre la sociedad.
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3.5 Histórico lógico. Mediante este método se obtendrá datos que respalden la información preliminar del objeto de estudio conociendo acerca de calidad de energía eléctrica.
3.6 Método estadístico Para la investigación hacer desarrollada nos valdremos de la estadística descriptiva ya que organiza, resume los datos; en donde nos permitirá a través de cuadros, tablas de frecuencia, porcentajes, media aritmética, interpretar los resultados obtenidos.
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4 CAPITULO IV RESULTADOS 4.1 CONCLUSIONES
Se simuló y reprodujo el fenómeno de calentamiento inductivo en atmósfera inerte, observando y controlando las variables involucradas en el proceso de diseño y en los aspectos físicos y químicos presentes en el sistema.
Los aspectos considerados con mayor importancia fueron la dispersión del flujo magnético y la eficiencia en la transferencia de energía.
La elaboración de la bobina de inducción será un elemento muy importante mediante el cual se explicó como es el principio de funcionamiento de la cocina de inducción.
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4.2 RECOMENDACIONES
Realizar capacitaciones técnicas acerca de cómo es el funcionamiento de las cocinas de inducción a los beneficiarios mediante la simulación previa.
Realizar pruebas previas sobre el funcionamiento de una cocina de inducción mediante un ejemplo práctico.
Informarse antes de adquirir una cocina de inducción de cuáles son las ventajas y desventajas tanto en el consumo de energía y en la alimentación
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4.5 RESULTADOS Luego de haber constatado que no existe una previa simulación de una cocina de inducción se ha comprobado que una bobina de inducción es el material didáctico que se presenta y se construyó con el fin de que sea didáctica su explicación del principio de inducción electromagnética despejando así las dudas de las personas que desconoces del tema.
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BIBLIOGRAFÍA [1] Salazar Fernando, 2010, Estudio técnico- comparativo del ingreso de cocinas de inducción, Tesis de grado Ing. Mecánica, EPN. [2]SERWAY, Raymond, Electricidad y magnetismo, Mc Graw Hill,
Tercera
Edición USA, 1995, pág. 205-260 [3]INCROPERA, FRANK; DEWITT, David; Fundamentos de Transferencia de Calor, Prentice Hall; Cuarta edición; México 2006 [4]Hernández Jorge, Duque Edison, CEKIT S.A
Curso fácil de electrónica
moderna, Componentes y teoría de circuitos, 1999. [5]GOMEZ, Esteve; Tesis doctoral1999. “Influencia de los componentes parásitos en el análisis y diseño de inversiones resonantes paralelo para aplicaciones de calentamiento por inducción”, universidad de valencia. [6]Alberto Tama Franco,2013, Asesor de Gerencia General de la Corporación Eléctrica del Ecuador, cocinas de inducción versus cocinas a gas(GLP). Pág. 1.Obtenidad 16-12-2012 desde: http://www.slideshare.net/albertama/cocina-deinduccin-versus-cocina-a-gas-glp
[7] Generación eléctrica, demanda eléctrica, 2012, CONELEC-Ecuador, obtenida: 15-12.2013 desde la dirección: www.conelec.gob.ec
[8] Proyectos de eficiencia energética, 2013, MEER, pág. 3 obtenida: 15-12.2013 desde la dirección: http://www.energia.gob.ec/eficiencia-energetica-sectorresidencial/
[9]Jorge Patricio Muñoz; 2013. Análisis de la incidencia del uso de cocinas eléctricas de inducción; rendimiento de calidad energética; pág. 6, obtenido: 1612-2013 desde la dirección: http://www.monografias.com/trabajos96/analisisincidencia-del-uso-cocinas-electricas-induccion/analisis16
[10] Proyectos de eficiencia energética, 2013, MEER,
pág. 5 obtenida: 15-
12.2013 desde la dirección: http://www.energia.gob.ec/eficiencia-energeticasector-residencial/
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