UNIVERSIDAD TCNICA DE AMBATO

F . I . S . E . I

FACULTAD DE INGENIERIA EN SISTEMAS, ELECTRONICA E INDUSTRIAL

FACULTAD DE INGENIERA EN SISTEMAS, ELECTRNICA E INDUSTRIAL

PERODO ACADMICO: ABRIL- AGOSTO/2014

UNIVERSIDAD TCNICA DE AMBATO

Facultad de Ingeniera en Sistemas, Electrnica e Industrial

Proyecto Acadmico de Fin de Semestre

Ttulo:

Cocina a Induccin.

Carrera:

Ingeniera en Electrnica y Comunicaciones.

rea Acadmica:

Fsica y Electrnica

Lnea de Investigacin:

Sistemas Electrnicos

Ciclo Acadmico y paralelo:

5to nivel Electrnica

Alumnos participantes:

Alds Noem.

Medina Johana.

Quilligana Carlos.

Mdulo y Docente:

Teora Electromagntica I, Ing. Cuji Julio.

P

1. YY

I. Ttulo

Cocina a Induccin.

II. Objetivos

Objetivo General

Investigar sobre el funcionamiento de una cocina a induccin e implementarla, demostrando su base terica.

Objetivos Especficos

Investigar la base terica de una cocina a induccin y comprender su forma de operar.

Determinar la forma de construccin para su correcto funcionamiento.

Implementar un sistema control para la regulacin de la temperatura de la misma.

III. Resumen

En el presente proyecto, se investig e implemento una cocina a induccin, demostrando la base terica de su funcionamiento, posteriormente utilizando el sensor de temperatura integrado LM35, se desarroll un sistema de control para mantener la temperatura de la cocina a induccin entre los 25 y 35C, considerando a las temperaturas menores a 25 como temperaturas bajas y a las superiores a 35 como altas temperaturas, en este ltimo caso, la cocina se apagar durante un minuto para bajar su temperatura a su temperatura ideal (estable).

IV. Palabras clave: (Sensor de temperatura, induccin, efecto Joule, arduino, control.)

V. Introduccin

A partir del siglo XIX con los descubrimientos notables en el campo del electromagnetismo por parte de Michael Faraday, se inici un progresivo avance en ste mbito, hoy en da, existen diversas aplicaciones, como motores y cocinas a induccin entre otros. La necesidad de reemplazar el consumo de energa proveniente de fuentes no renovables como lo es el gas licuado, hace que el uso de estas cocinas en la vida cotidiana del ser humano sea una necesidad ms que un lujo. Existen muchas ventajas de su uso, resulta ecolgico, seguro (ya que la energa electromagntica solo ser radiada sobre elementos con materiales ferromagnticos), pero cabe recalcar no puede ser usada por personas que posean marcapasos, ya que estos se veran afectados por los campos electromagnticos.

VI. Materiales y Metodologa

MARCO TERICO

Cocina a Induccin

Una cocina de induccin es un tipo de cocina vitrocermica que calienta directamente el recipiente mediante un campo electromagntico en vez de calentar mediante calor radiante por el uso de resistencias. Estas cocinas utilizan un campo magntico alternante que magnetiza el material ferromagntico del recipiente en un sentido y en otro. Este proceso tiene menos prdidas de energa, el material se agita magnticamente, la energa absorbida se desprende en forma de calor, calentando el recipiente. Los recipientes deben contener un material ferromagntico al menos en la base, por lo que los de aluminio, terracota, vidrio o cobre no son utilizables con este tipo de cocinas.

Figura 1: Constitucin interna de una cocina a induccin.

La naturaleza de este calentamiento lo hace mucho ms eficiente que el tradicional, pues se calienta directamente el recipiente a utilizar, y no indirectamente como se hace con las tradicionales vitrocermicas basadas en resistencias. Esto contribuye a un ahorro de energa cada vez ms apreciado en la sociedad actual. La vitrocermica de induccin detecta gracias a un sistema de sensores si hay o no recipiente sobre su superficie. En caso de no haberlos, no funciona. Son capaces de detectar la forma y tamao del recipiente y se puede elegir la temperatura exacta de coccin (termostato). Con ella, se evitan posibles quemaduras, ya que no se calienta. La placa de induccin alcanza como temperatura mxima la del calor residual producido por el recipiente. Asimismo, no existe ningn riesgo de explosin fortuita al no utilizar combustibles. No puede ser usada por personas que lleven marcapasos.

Es posible fabricar una cocina de induccin que funcione con cualquier metal conductor, sin embargo el sistema convencional es ms simple y barato. Para calentar metales como el aluminio, se pueden utilizar varias bobinas que se activan cclicamente, una despus de otra, generando un campo magntico mvil como en un motor de corriente alterna. Este mismo efecto se aprovecha para usar el aluminio en velocmetros y motores de jaula de ardilla.[1] [2]

CALENTAMIENTO POR INDUCCIN

Cuando una corrientealternase aplica al primario de un transformador, se genera un campo electromagntico. Segn la Ley de Faraday, si el secundario del transformador se coloca dentro del campo magntico, se induce una corriente elctrica.

En una configuracin bsica de calentamiento por induccin, unafuente de alimentacin genera una corriente alterna que atraviesa un inductor (normalmente unabobina de cobre) y la pieza a calentar se sita dentro de dicho inductor. El inductor acta de primario del transformador y la pieza de circuito secundario. Cuando la pieza metlica es atravesada por el campo magntico, se inducen corrientes de Foucault en dicha pieza.

Figura 2: Calentamiento por induccin.

Productividad mxima

El arranque para el calentamiento es virtualmente instantneo, no es necesario precalentar ni enfriar. El proceso de calentamiento por induccin se completa en la planta de fabricacin, prximo a la mquina de deformacin fra o caliente, en lugar de enviar lotes de piezas a un horno remoto o subcontrata.

Eficiencia energtica

Este proceso es el nico realmente eficiente desde el punto devistaenergtico. Convierte la energa consumida en calor til en hasta un 90%; los hornos por lotes lo hacen generalmente hasta un 45%. Adems como no necesita ni precalentamiento ni enfriamiento en los ciclos de trabajo, las prdidas de calor en stand-by (cuando no trabaja) se reducen a mnimos.

Energa verde

Los sistemas de calentamiento por induccin no se queman como los combustibles fsiles tradicionales. La induccin es un proceso limpio, no contaminante que ayuda a proteger el medio ambiente. Un sistema de induccin ayuda a mejorar las condiciones de trabajo para los empleados ya que elimina el humo, el calor excesivo, las emisiones txicas y el ruido. El calentamiento es seguro porque no pone en peligro al operador, y al no utilizar llama abierta, no oscurece el proceso. Los materiales no conductivos no se ven afectados por lo que pueden situarse prximos a la zona donde se est calentando sin ningn dao. [3]

Corriente de Foucault

Lacorriente de Foucault(corriente parsita tambin conocida como "corrientes torbellino") es un fenmenoelctricodescubierto por el fsico francsLon Foucaulten1851. Se produce cuando un conductor atraviesa uncampo magnticovariable, o viceversa. El movimiento relativo causa una circulacin deelectrones, o corriente inducida dentro del conductor. Estas corrientes circulares de Foucault creanelectroimanesconcampos magnticosque se oponen al efecto delcampo magnticoaplicado (verLey de Lenz). Cuanto ms fuerte sea elcampo magnticoaplicado, o mayor la conductividaddel conductor, o mayor la velocidad relativa de movimiento, mayores sern las corrientes de Foucault y los campos opositores generados.

Las corrientes de Foucault crean prdidas de energa a travs delefecto Joule. Ms concretamente, dichas corrientes transforman formas tiles de energa, como la cintica, en calor no deseado, por lo que generalmente es un efecto intil, cuando no perjudicial. A su vez disminuyen la eficiencia de muchos dispositivos que usan campos magnticos variables, como lostransformadoresde ncleo de hierro y los motores elctricos. Estas prdidas son minimizadas utilizando ncleos con materiales magnticos que tengan bajaconductividadelctrica (como por ejemploferrita) o utilizando delgadas hojas deacero elctrico, apiladas pero separadas entre s mediante unbarnizaislante u oxidadas tal que queden mutuamente aisladas elctricamente. Loselectronesno pueden atravesar la capa aisladora entre los laminados y, por lo tanto, no pueden circular en arcos abiertos. Se acumulan cargas en los extremos del laminado, en un proceso anlogo alefecto Hall, produciendocampos elctricosque se oponen a una mayor acumulacin de cargas y a su vez eliminando las corrientes de Foucault. Cuanto ms corta sea la distancia entre laminados adyacentes (por ejemplo, cuanto mayor sea el nmero de laminados por unidad de rea, perpendicular al campo aplicado), mayor ser la eliminacin de las corrientes de Foucault y, por lo tanto, menor el calentamiento del ncleo. [4]

Propiedades del calentamiento por Induccin

La frmula simple que P=RI no puede usarse porque la distribucin de las corrientes sobre el conductor no es uniforme. En general:

d =Dimetro del cilindro (m)

h =Altura del cilindro (m)

H =Intensidad del campo magntico ( A / m)

p =resistividad (p* m)

0 =Permeabilidad magntica de vaco (4x107 H / m)

r =Permeabilidad relativa

f =Frecuencia ( Hz )

C =Factor de acoplamiento

F =Factor de transmisin de potencia.

Los dos ltimos trminos de la frmula son factores de correccin:

F (factor de transmisin de potencia)

Toma en cuenta la relacin entre la profundidad de penetracin y las dimensiones externas de la carga. F depende de la geometra de la carga.

C (factor de acoplamiento)

Corrector para las dimensiones relativas del inductor y la carga. La correccin es ms pequea si el inductor es ms largo y el espacio entre el inductor y la carga es ms pequeo.

PROFUNDIDAD DE PENETRACIN

Una caracterstica de la corriente alterna es que sta se concentra en la parte externa del conductor, esto es debido a que la corriente principal en el interior del conductor genera un campo magntico variable, que produce unas corrientes de induccin que tienen el mismo sentido en la parte exterior y contrario en la interior, como consecuencia de esto, la corriente en el centro del conductor se anula y se refuerza en los bordes, el flujo neto de corriente solo se produce en la superficie del conductor. Esto es llamado el efecto piel (efecto skin).

La profundidad de penetracin determina el anteriormente citado efecto piel cuyo enunciado se puede resumir de la siguiente manera:

Cuanto ms grande sea la frecuencia de las corrientes en conductor ms se concentrarn estas en su superficie. Esto es consecuencia del efecto de difusin del campo magntico y se puede decir que es la nocin fundamental que rige el calentamiento por induccin [4].

La profundidad de penetracin puede ser deducida de las ecuaciones de Maxwells.

Para una carga cilndrica con un dimetro mucho mayor a la profundidad de penetracin, la frmula es la siguiente:

Donde :

p: resistividad del material

0 : permeabilidad magntica del vaco 4x10 - 7

r : permeabilidad magntica relativa del material.

f : frecuencia de trabajo.

Para materiales no magnticos como el cobre o el grafito la permeabilidad magntica relativa r es aproximadamente igual a 1. Para materiales ferromagnticos como el acero y varios tipos de hierro tienen un valor de permeabilidad magntica relativa ms alto que el de los no magnticos, por lo que tienen una profundidad de penetracin ms pequea.

ARDUINO

Arduinoes una plataforma de hardware libre, basada en una placa con un microcontrolador y un entorno de desarrollo, diseada para facilitar el uso de la electrnica en proyectos multidisciplinares.

Figura 3. Circuito de un Arduino

Arduino es una plataforma de hardware y software de cdigo abierto, basada en una sencilla placa con entradas y salidas, analgicas y digitales, en un entorno de desarrollo que est basado en el lenguaje de programacin Processing. Es decir, una plataforma de cdigo abierto para prototipos electrnicos. Al ser open source, tanto su diseo como su distribucin, puede utilizarse libremente para el desarrollo de cualquier tipo de proyecto sin necesidad de licencia.El proyecto fue concebido en Italia en el ao 2005 por el zaragozano David Cuartielles, ingeniero electrnico y docente de la Universidad de Mlmo (Suecia) y Massimo Banzi, italiano, diseador y desarrollador Web. [5]

Materiales:

materiales

equipos

Arduino

Osciloscopio

mdulo SIM900 GSM

Multmetro

Transistores

Arduino

4 TIP3055

mdulo SIM900 GSM

2 TPI 125

2 2N3904

Resistencias

Alambre de cobre 13

4 R 1 ohmio a 1W

2 R 33 ohmios a 5W

1 R 0.75 ohmios a 5W

1 R 33K a 1/4W

2 R 2.2K a 1/4W

2 R 100 ohmios a 1/2W

2 R 5.6K a 1/4W

1 R 560 ohmios a 1/4W

1 R 1K a 1/4W

Condensadores

6 C 0.1 uF (104) poliester

Procedimiento:

Para la elaboracin del presente proyecto, se realiz el procedimiento descrito a continuacin:

1. Obtener el circuito a ser implementado de la cocina.

2. Simular los circuitos a ser implementados para una mayor facilidad en la implementacin.

3. Conectar los dispositivos de acuerdo a los diagramas.

4. Comprobar el correcto funcionamiento midiendo voltajes y corrientes

5. Conocer la induccin que genera el trasformador de la cocina.

6. Programar el Arduino para el control de la cocina.

7. Comprobar su funcionamiento.

VII. Resultados y Discusin

A pesar de las pruebas realizadas en la cocina se hicieron de manera continua y no se tubo inconvenientes en su funcionamiento, ser necesario mejorar en diseo del mueble y tambin implementar un ventilador en una buena ubicacin con el propsito de que cumpla correctamente su funcin como parte de evitar daos en estos elementos por sobre temperatura como el instrumento de adquisicin de datos como arduino y la bobina de induccin

Un aspecto importante que se debe tener en cuenta en relacin a la pieza a calentar es la distancia existente entre dicha pieza y la bobina de induccin, ya que cuando menor es la distancia entre estos dos elementos, mayor es la corriente inducida en la superficie de la pieza a ser calentada

VIII. Conclusiones

La induccin es una de las propiedades electromagnticas ms conocidas, gracias a este principio funciona la cocina a induccin, una corriente es inducida sobre un material ferromagntico, induciendo corrientes de Foucault las que producen el efecto Joule (transformacin de energa en forma calrica).

Para su construccin se us el principio del transformador y para la comprobacin de su correcto funcionamiento se us una bobina en la que se pudo comprobar que al inducir energa, sta se calentaba.

Se control la temperatura de la cocina mediante el sensor de temperatura LM35, que al recoger los datos analgicos, fueron transmitidos mediante la interfaz arduino para controlar el encendido y apagado de la cocina para mantener su temperatura ideal.

IX. Referencias bibliogrficas

[1] V. Vizuete, La Inducin, una forma de cocinar limpio y seguro.El Comercio. [2] M. Iza, Taringa.net, [En lnea]. Available: http://www.taringa.net/posts/info/15443690/Funcionamiento-de-estas-cocinas-a-induccion.html. [ltimo acceso: Agosto 2014].[3] G. Electrotrmia, ghinduction.com, [En lnea]. Available: http://www.ghinduction.com/sobre-calentamiento-por-induccion/?lang=es. [ltimo acceso: Agosto 2014].[4] l. e. l. Wikipedia, Wikipedia.org, [En lnea]. Available: http://es.wikipedia.org/wiki/Corriente_de_Foucault.[5] S. Martnez, Tcnicas de potencia, de Electrnica Industrial, 4 ed; Marcombo., 1992.

X. Fotografas y grficos

Figura 4: Cocina a Induccin Implementada

Figura 5: Circuito de una cocina a induccin.