Calentador por Inducción Electromagnética Ariel Reinaldo Franco Martínez, Francisco Javier Alonso Coronel, Pedro Cristóbal P aredes González, Axel Nicolás Villalba Garay.
Facultad Politécnica Universidad Nacional del Este Laboratorio de Física IV Resumen- El presente trabajo de investigación consiste en la descripción y análisis de los fenómenos físicos que ocurre durante el funcionamiento de un calentador por inducción. El problema de investigación fue analizar los aspectos que conlleva su funcionamiento efectivo en un tiempo razonable. La investigación se realizó con los conocimientos físicos de electromagnetismo, con esto se llegó a estudiar sus etapas de funcionamiento y características técnicas de sus componentes. El prototipo de fines didácticos trabaja a una frecuencia de 97,32 KHZ, una tensión continua de 12 V y una corriente inicial de 11.5 A sin el núcleo ferromagnético y con una corriente de 15,3 A con el núcleo ferromagnético en el inductor. Calentador por inducción electromagnética, campo magnético oscilante, Inducción, efecto Joule, corriente de Foucault.
Palabras
I.
Clave-
DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO
Un calentador por inducción es un dispositivo, que, al proveerle con una corriente eléctrica, es capaz de autogenerar calor gracias a esta. Básicamente, lo que sucede es que al hacer circular corriente alterna en un inductor (bobinas de cobre o un transformador), el cual actúa como el primario de nuestra configuración, se genera un campo magnético variante en el tiempo. Al colocar una pieza de material conductor de calor (secundario) dentro del inductor, este es atravesado por el campo magnético lo cual genera una serie de efectos electromagnéticos que llevan al calentamiento de este.[1]
II.
OBJETIVOS
Objetivo General: Construir un calentador por inducción para usarlo como método de obtención de calor más económico que los medios tradicionales, eficaz y que produzca menos contaminación.
Objetivos Específico.
Construir un calentador por inducción electromagnética. Buscar una aplicación alternativa al dispositivo construido. Estudiar su funcionamiento y propiedades de sus componentes. Estudiar los siguientes fenómenos físicos en el proceso de calentamiento por inducción electromagnética. A) B) C) D)
Ley de Faraday. Efecto Joule. Corriente de Foucault. Ley de Ampere.
III.
INTRODUCCIÓN
El electromagnetismo es una rama de la física que estudia la fusión de todos los principios eléctricos y magnéticos. Esta disciplina tiene muchas aplicaciones en inventos de la vida cotidiana y uno de ellos es la generación de calor por inducción magnética. En una configuración co nfiguración básica de calentamiento por inducción electromagnética, una fuente de alimentación genera una corriente alterna que atraviesa un inductor (normalmente una bobina de cobre) y la pieza a calentar calentar se se sitúa dentro de dicho inductor. El inductor actúa de primario del transformador y la pieza de circuito secundario. Cuando la pieza metálica es atravesada por el campo magnético oscilante, se inducen corrientes de Foucault en dicha pieza, dichas corrientes fluyen contra la resistividad eléctrica del metal, generando un calor localizado y sin necesidad de contacto directo entre la pieza y el inductor. Este calentamiento ocurre con piezas con piezas magnéticas y no-magnéticas, y a menudo se conoce como “Efecto Joule” que hace referencia a la primera ley de Joule. En el presente informe se explicara tanto de manera teórica y matemática este efecto, mediante la definición de los principios que este experimento involucra. También se proponen los beneficios que con lleva este experimento para usos de la vida cotidiana. [2]
IV.
Marco teórico.
∮ B. dl =
Los principios básicos de calentamiento por inducción han sido entendidos y aplicado a la fabricación desde la década de 1920. Durante la II Guerra Mundial, la tecnología se convirtió rápidamente a necesidades urgentes durante la guerra para un proceso rápido y confiable de endurecer piezas de metal del motor. Más recientemente, el enfoque en técnicas de manufactura esbelta y énfasis en la mejora del control de calidad han llevado a un redescubrimiento de la tecnología de inducción, junto con el desarrollo de precisamente controlados, todo sólido estado inducción fuentes de alimentación. [2]
El calentamiento mediante inducción electromagnética es una técnica basada en la inducción de un campo magnético variable en el tiempo sobre un conductor. Se puede modelar utilizando las leyes de Ampere, Faraday y el efecto Joule. Considerado inicialmente un efecto indeseable en ciertas máquinas como transformadores, generadores y motores, el calentamiento por inducción hoy en día es una técnica de mucha importancia en varios procesos industriales. En general para lograr aumentar la temperatura en un conductor se requiere someter al mismo a un campo magnético de amplitud considerable y variable en el tiempo para aprovechar de esta forma el efecto de disipación de potencia en el conductor, llamado efecto Joule, y que se produce por las corrientes inducidas o corrientes de Foucault. Con la inducción electromagnética es posible trabajar sobre un área determinada del objeto a ser calentado, ayudando a tener un mayor control del proceso. [4]
V. Fenómenos físicos calentamiento electromagnética.
en el por
proceso de inducción
Ley de Ampere.
La ley de Ampere es útil para el cálculo de campos magnéticos creados por determinadas distribuciones de corriente que circulan por un conductor. Suponiendo una superficie abierta S cualquiera con su curva limitadora l en una región del espacio por donde circulan corrientes eléctricas, las componentes del campo magnético B a lo largo de dicha curva, están relacionados con la corriente neta I que pasa por la superficie en su sentido hacia afuera a través de la expresión:
(. )
Siendo: : Integral cerrada de la línea. I: Corriente neta que atraviesan la superficie S que describe la trayectoria cerrada d l. μ0: Constante de permeabilidad en el vacío.
Fig. 1 - Corriente eléctrica I atravesando una superficie S
La ecuación que describe el efecto magnético de campos eléctricos o corrientes variables es:
. = ( +I)
(Ec. 2)
Si en un inductor, el cual por lo general se trata de una bobina de un material conductor, circula una corriente eléctrica se formará un campo magnético donde su distribución y amplitud están dadas por la ley de Ampere:
= Hdl=HI
(Ec. 3)
Siendo: N: El número de espiras del inductor. I: Corriente que atraviesa por el inductor. H: Intensidad del campo magnético. l: Longitud del inductor.
Mientras que si la corriente es alterna entonces se utiliza la ecuación de Faraday explicada en breve. Por lo tanto, la Ley de Ampere es válida para A) Cualquier configuración de campo magnético. B) Cualquier conjunto de corrientes. C) Cualquier trayectoria de integración. [3]
electromotriz inducida en cada las espiras, así la fem inducida será.
Ley de Faraday.
Cuando circula una corriente eléctrica continua por un conductor se produce un campo magnético alrededor de éste, es así que Michael Faraday (1831) tuvo la idea de que un campo magnético estacionario podía generar una corriente. Para demostrar su teoría, Faraday realizó una serie de experimentos como el de la figura 2.
= −
Faraday
Este experimento consistía en colocar dos bobinas en reposo una con respecto a la otra, como se ve en la figura anterior, y cerrar un interruptor (s) provocando así que circule una corriente constante en el bobinado derecho, entonces el galvanómetro (G) se desviaba por un instante y cuando el interruptor se abría el galvanómetro se desviaba otra vez. Con este experimento, Faraday demostró que siempre que cambiara la corriente en la bobina derecha, se generará una fuerza electromotriz ( fem) inducida, siendo de mayor importancia la rapidez con la que varía la corriente y no su magnitud. La ley de Faraday expresa que la fem inducida () en un circuito será igual al valor negativo de la rapidez con la que se encuentra variando el flujo (dΦB) que se encuentra atravesando el circuito. Esta ley viene dada por la expresión.
= −
(Ec. 4)
Este signo negativo indica el sentido de la fuerza electromotriz inducida. Si la bobina tiene varias espiras o vueltas, surgirá una fuerza
de
(Ec. 5)
En pocas palabras la fuerza electromotriz que se induce en un circuito es directamente proporcional al número de vueltas que posee el inducido y proporcional a la rapidez con la que cambia el flujo magnético que atraviesa el circuito. [3]
Fig. 2 - Montaje de experimento realizado por
una
Efecto Joule.
Una corriente eléctrica es un movimiento de electrones los cuales tienen masa, y por tener una velocidad, adquieren cierta energía cinética. Además el movimiento de estos electrones es desordenado. Cuando una corriente eléctrica circula por un material conductor, los electrones chocan con las moléculas de dicho conductor, hallando de esta forma un problema para circular libremente, el mismo que depende del material del conductor y que es conocido como resistencia eléctrica, lo cual provoca pérdidas de potencia y tensión y a su vez dan origen a un calentamiento del conductor. Este efecto es conocido como el efecto Joule. El efecto Joule fue definido de la siguiente forma: “ La cantidad de energía calorífica producida por una corriente eléctrica, depende directamente del cuadrado de la intensidad de la corriente, del tiempo que ésta circula por el conductor y de la resistencia que opone el mismo al paso de la corriente”.
Y se la expresa de la siguiente manera.
A)
= .
(.)
B)
=
(.)
C)
= .
(. )
Dónde: Q: Energía calorífica producida por la corriente expresada en Julios [W.s]. I: Intensidad de la corriente que circula. Req: resistencia eléctrica equivalente del conductor. t: tiempo. P: Potencia disipada en el inducido. [4]
Pérdidas por corrientes de Foucault.
Las corrientes de Foucault (también conocidas como corrientes parásitas, corrientes torbellino, o Eddy currents en inglés) es un fenómeno eléctrico descubierto por el físico francés León Foucault en 1851. Se produce cuando un conductor (con o sin propiedades magnéticas) atraviesa un campo magnético variable, o viceversa. Este movimiento relativo causa una circulación de electrones, o corriente inducida dentro del conductor. Estas corrientes circulares de Foucault crean electroimanes con campos magnéticos que se oponen al efecto del campo magnético aplicado (Ley de Lenz). Cuanto más fuerte sea el campo magnético aplicado, o mayor la conductividad del conductor, o mayor la velocidad relativa de movimiento, mayores serán las corrientes de Foucault y los campos opositores generados. Las corrientes de Foucault crean pérdidas de energía a través del efecto Joule. Más concretamente, dichas corrientes transforman formas útiles de energía, como la cinética, en calor no deseado, por lo que generalmente es un efecto inútil, sin embargo, para el desarrollo de la presente tesis serán de gran importancia. Para comprender este efecto se toma como ejemplo, un material conductor de forma cilíndrica introducido dentro una bobina solenoide, (Figura-3), por la cual se hace circular corriente alterna ( CA). Con esto, la magnitud y dirección del campo magnético,
Fig. 3 - Sistema básico de calentamiento por
inducción.
VI. Calentador por inducción electromagnética presentado y realizado por el grupo. En la (Figura-4) se puede apreciar el esquema del circuito del calentador por inducción electromagnética, elegido debido a que sus componentes están al alcance de todos.
que rodea a la bobina, varían en el tiempo acorde varía la magnitud y la dirección de la corriente a través de la bobina produciendo que el número de líneas en el campo magnético, o flujo magnético, que cortan de un lado a otro al material conductor, varíe. [5]
Fig. 4 - Circuito equivalente de calentador por
inducción electromagnética a fines demostrativo .
1) 2)
Significado de los símbolos en el circuito.
3)
Inductor (“L1”).
4)
Inductor toroidal (“L2”).
5)
Resistores (“R1 y R2”).
6)
Resistores (“R3 y R4”).
Capacitores (“C1, C2, C3, C4”). Transistores (“T1 y T2”).
VII.
Calentador por inducción electromagnética echo por el grupo.
Fig. 5 – Calentador por inducción electromagnética.
1) Cooler: Es la encargada de refrigerar el circuito para así trabajar en temperatura razonable. 2) Disipador de Calor: Se encarga de disipar el calor que genera los transistores.
3) Transistor Mosfet z44: Son transistores cuyas propiedades son el de poder trabajar a altas frecuencias y con altas corrientes, están aplicados a este circuito como conmutadores.
4) Bobina Toroidal: La aplicación del inductor IX. toroidal en este circuito es la de evitar que la frecuencia generada en el inductor (LC) no retorne a la fuente de alimentación. 5) Capacitores: Son del tipo MKP de “Polipropileno metalizado” que tienen la capacidad de aislamiento del dieléctrico muy alto a su vez aguantan altas frecuencias y elevadas temperaturas. 6) Placa perforada: Funciona como base de conexiones para los componentes del circuito. 7) Borneras: Son utilizadas para brindar comodidad a la hora de retirar o modificar del circuito el inductor principal. 8) Terminal de conexión negativo: Cable color rojo con negro. 9) Terminal de conexión positivo: Cable color rojo. 10) Inductor: Un inductor o bobina es un componente pasivo del circuito eléctrico que, debido al fenómeno de la autoinducción, almacena energía en forma de campo magnético. 11) Base de madera: Es el que contiene todo el prototipo. 12) Instrucciones de uso: Seguir rigurosamente para evitar fallas en el dispositivo. 13) Resistores: Tienen la función de reducir la tensión y ayudar en la hora de conmutación.
VIII.
Montaje de prototipo. 1) Enrollamiento del inductor principal, de nueve vueltas totales. 2) Los capacitores se agrupan entre sí, de modo que queden en paralelo. 3) Colocación del disipador de calor para los dos transistores. 4) Se implementa un cooler para normalizar la temperatura de los transistores. 5) Se montan todos los materiales mencionados anteriormente en la base 20*20 cm. 6) Finalizando, se procede a alimentar el prototipo con una fuente de tensión de 12V con una corriente mínima de 20 A, luego se introduce la placa metálica dentro del inductor principal, haciendo que la pieza se sobrecaliente.
Funcionamiento del circuito paso a paso. Se tiene un oscilador LC, es decir, un oscilador con inductor y capacitor, estos determinan la frecuencia de oscilación del circuito. El inductor toroidal sirve básicamente para que la frecuencia de oscilación no retorne a la fuente de voltaje. Está conectado por la terminal positiva del circuito. Para que el oscilador LC continue oscilando es necesario una realimentación, y para que tenga una alta corriente, hace falta conmutar. Para esto se utilizan dos transistores, porque son buenos para conmutar altas corrientes y además trabajar con altas frecuencias. El papel de los transistores conectados por el terminal negativo del circuito, es conmutar las conexiones por donde pasan la corriente, es por eso que los resistores están conectados en los drivers de cada uno, y pasen por el gate del otro. Esto hace que conmuten alternadamente ambas conexiones. Solamente materiales conductores se calentarán dentro del inductor, si es ferroso tardará menos tiempo para calentarse y hará que el campo electromagnético sea mucho mayor. Cuando colocamos la pieza conductora, dentro del inductor, está sometido a un campo magnético oscilante de alta intensidad por lo tanto el material se induce generando así el efecto denominado corriente parasita. Dentro del metal existe una ci rculación de electrones, estos se encuentran con la resistencia del material generando calor y acaban calentándose.
X. Mediciones.
Temperatura.
Temperatura(centigrados)
500
409.1
442.8
470
350.6
400 271.9
300 202.2 157.8
200 104 100
30
48.7
t (s) 0 1
2
5
8
12
16
21
26
Fig. 6 – Grafico de la temperatura respecto al tiempo.
31
35
Fig. 9 – En la pantalla del osciloscopio se observa el grafico del comportamiento de la oscilación y una frecuencia de 97, 32 KHZ. Este cambio de frecuencia de conmutación se debe a que el osciloscopio es más preciso que el multímetro digital. Fig. 7 – En la pantalla del termómetro digital se observa una temperatura de 480°C.
Medición de corriente
Frecuencia de oscilamiento de la conmutación.
Fig. 8 – En la pantalla del multímetro digital se observa una frecuencia de conmutación de 96,57 KHZ.
Fig. 10 – En la pantalla del multímetro digital se observa la intensidad de la corriente de 11,45 [A]. Sin núcleo metálico.
Ley de Faraday. Campo magnético.
Dar ejemplos a los alumnos de cómo funciona la ley de enfriamiento de newton, calentando un metal con este prototipo y luego realizar las mediciones correspondientes. Puede ser utilizado como herramienta en el laboratorio para calentar objetos metálicos a fines de perforar o cortar plástico.
XIII. Conclusión. Al haberse estudiado la parte teórica e implementarla en la construcción de este proyecto y viendo los resultados generados por este, podemos concluir que este proceso relativamente nuevo e ingenioso es realmente una buena alternativa para la sustitución de formas de calentamiento anteriores.
Fig. 11 – En la pantalla del multímetro digital se observa que la intensidad de la corriente aumenta en 14,51 [A]. Esto se debe a que ya posee núcleo metálico.
XI. Obstáculos en el proceso de pruebas del prototipo. En primer lugar, la única dificultad para la elaboración del proyecto fue la obtención de los capacitores MKP lo cual se consiguió reciclando de placas de computadoras. Otro problema fue hallar la configuración del circuito ideal debido a que se tuvo muchas pérdidas del componente de conmutación del circuito que vendría a ser los transistores Mosfet ZZ44N, estos se quemaron reiteradamente debido a que sistema de protección que serían los resistores no eran ideal para el circuito. Luego de subsanar esta falla se logró el funcionamiento efectivo del calentador por inducción electromagnética.
XII. Aplicaciones específicas del calentador por inducción electromagnética como herramienta u objeto de estudio. Con este proyecto podemos dar aplicaciones y demostraciones a fines didácticos, apreciar los fenómenos físicos tales como: La ley de Ampere. Efecto Joule.
El calentamiento por inducción es un proceso muy efectivo el cual usa el principio de Faraday de inducción electromagnética transforma su principal debilidad (perdida de campo) en energía calórica potencialmente aplicable a la industria. La ampliación de los fenómenos electromagnéticos en la actualidad ha sido de gran ayuda para el avance tecnológico, y es la principal conclusión de este articulo decir que es necesaria la implementación a nivel macro de muchos otros fenómenos de naturaleza electromagnética a la vida cotidiana para hacer frente a factores que ponen en riesgo nuestra vida diaria actualmente, como lo es la contaminación, la ineficacia de las fuentes de energía que usamos, y la reducción en los volúmenes de los combustibles que aun utilizamos.
XIV. Tabla de materiales y costos. Materiales. Capacitor de 0.33mF tipo MKP.
Cantidad. 4 u.
Precio. 30.000 gs.
Resistencia de 10 KΩ. Resistor de 100 Ω. Transistor Fuente de voltaje continua de 12V. Cooler.
2 u.
5000 gs.
2 u.
5000 gs.
2 u.
40.000 gs.
1 u.
----------
1 u.
15.000 gs.
Disipador de calor.
1 u.
25.000 gs.
Base.
20*20 cm
15.000 gs.
Costo del proyecto.
Total=135.000 gs.
Costo de prueba y error.
200.000 gs.
Total de gastos.
335.000 gs.
XV.
Referencias bibliográficas.
[1] Induction heating 4/03/18 http://www.richieburnett.co.uk/indheat.html [2]STP30NF10 - STP30NF10FP data sheet 29/04/18 http://download.siliconexpert.com/pdfs/2012/7/ 23/16/22/0/700/st_/manual/cd00002440.pdf [2] Inducción electromagnética y el efecto Joule 16/05/18 http://www.uihm.com/es/Induction-HeatingTechnology/Electromagnetic-induction-andThe-Joule-effect172.html
SEARS ZEMANSKY CON FÍSICA MODERNA Volumen 2. Capitulo 27_28_29 [3] Física IV Universitaria
[4] Induction Atmospheres. 18/05/18 http://www.gh-ia.com/sp/el-calentamiento-porinducci%C3%B3n.html [5] Factor eléctrico 18/05/18 http://factorelectrico.blogspot.com/2013/12/queson-las-corrientes-parasitas.html
