Introdución
A aparición de dispositivos de semicondutores de enerxía electrónica moderna, ampliando os sistemas de calefacción de indución e, en consecuencia, a introdución no mercado de electrodomésticos. A súa aplicación ás cociñas de inducción, proporciona grandes vantaxes como a redución do tempo de cocción, a potencia axustable e a temperatura, a limpeza fácil e o aforro de enerxía con respecto a outras tecnoloxías de cociña. As cociñas eléctricas de indución son equipos que aumentan a calidade de vida dunha sociedade, mellorando o índice de desenvolvemento humano (IDH), o índice de pobreza multidimensional (IPM), o benestar da devandita sociedade e eficiencia enerxética do sistema enerxético.
O traballo actual expón os principios físicos teóricos que explican os procesos de indución electromagnética, así como os métodos existentes para a modelización da carga. Os circuítos de poder e control están deseñados e implementados, baseados nun investidor de ponte medio, para a aplicación na cociña alimentaria a través da calefacción de indución. As simulacións realizadas no sistema de enerxía móstranse e validan a partir dos resultados prácticos obtidos.
As características dos materiais
Sistemas de calefacción de indución de indución doméstica atraeron a atención especial da sociedade moderna. Un produto que foi completamente integrado neste grupo son cociñas de indución, ao longo de varias vantaxes que presenta. Non obstante, unha cociña de inducción non pode alcanzar valores de alta eficiencia enerxética, aínda que a súa electrónica de poder optimizada. Para iso é necesario realizar unha selección correcta da forma do indutor e do material dos contedores.
É importante definir que o material dos contedores utilizados nos sistemas de calefacción de indución non só é seleccionado por resistividade e altos valores de permeabilidade relativa, xa que o fenómeno coñecido como un efecto cinematográfico ten un papel importante na xeración de calor.
O fenómeno do efecto cinematográfico limita a profundidade da penetración das correntes inducidas nun material condutor. A profundidade da penetración é a distancia da superficie dun material condutor infinitamente groso, para o que a corrente inducida alcanzou o 38% do seu valor na superficie, é dada por ecuación (1).
(1)
Na ecuación 1, ten que ρ é a resistividade do material, μ_r, a permeabilidade magnética relativa do material e da frecuencia do Corrente eléctrica.
A partir deste parámetro é posible realizar o cálculo da resistencia á superficie do material (RS) en altas frecuencias, que se realizan a través da ecuación (2).
(2) A análise da ecuación (2) permítelle identificar que a selección da frecuencia de operación é un dos parámetros máis importantes para tomar en conta, para o deseño dun sistema de calefacción de indución. Unha serie de valores de resistencia á superficie poden estar dispoñibles para o mesmo material, só variando a frecuencia de operación da corrente. Polo tanto, para lograr un sistema eficiente sobre a xeración de calor no recipiente, a selección de material a ser Calefacción está baseada principalmente nos seguintes parámetros: profundidade de penetración, permeabilidade magnética relativa e resistividade material. Os materiais ferromagnéticos teñen altos valores de resistencia á superficie contra non ferromagnéticos, que permiten o mesmo valor de potencia para baixar os valores actuais. Isto fai que a eficiencia enerxética das cociñas de inducción estea moi comprometida por materiais non ferromagnéticos.
Un aspecto a ter en conta para a selección dos materiais de contedores é a condutividade térmica que os metais presentes, xa que é unha maior extensión deste parámetro máis uniforme, será a temperatura do recipiente. Os metais que teñen as mellores características da condutividade térmica son a menor resistencia á superficie. Por este motivo, moitas empresas producen envases especiais, que están deseñados para absorber a enerxía magnética e difundir rapidamente a calor. Deste xeito, obtense un sistema de alta eficiencia, onde non se producen manchas quentes que queiman a comida nunha zona, mentres que noutros permanece en bruto.
Materiais e métodos
Diagrama en potencia e bloques de control
Os sistemas de calefacción de indución teñen varias etapas, adoitan estar divididas na etapa de poder e control, a Explicar o funcionamento dun sistema de inducción que se propón o seguinte réxime (Figura 1), hai que ter en conta que segue o patrón segundo unha cociña de indución comercial. En primeiro lugar, como un circuíto supresor harmónico, un filtro de entrada capacitiva ten e como rectificador hai unha ponte de diodo cun filtro LC na saída. O cruce de ponte medio é a topoloxía seleccionada para crear a tensión de alta frecuencia que se subministra ao sistema de contedores inductivo, que está representado como unha carga variable equivalente do tipo RL, tamén hai outras topologías como o inversor completo de ponte ou a topoloxía cuasi-resonant (referencia). As tensións requiridas polo control obtéñense a partir da fonte de alimentación conmutada de 5 V e 18 V. No paso de seguimento e detección dos contedores hai varios circuítos utilizados para medir a tensión, a corrente e a temperatura en puntos esenciais dos convertidores segundo a súa función .. O sistema de control baséase en dúas etapas fundamentais. O primeiro ten en conta todas as variables medidas e os procesos presentes nos circuítos de poder e está baseado nun microcontrolador. A segunda etapa reside na interface de usuario, que se realiza a través dun programa desenvolvido no PC e que permite o control da frecuencia de operación do investidor.
Fig. 1
Diagrama de bloqueo da etapa de control e control.
A teoría da operación e cálculo de todos os elementos do poder, control e seguimento do réxime proposto, por unha potencia de 1000 w e pódese ver a tensión de rede de 110 V RMS a 60 Hz. Os resultados teóricos obtidos a partir dos elementos do inversor medio da ponte son os que se mostran na táboa 1, obtendo os valores da imposición de carga utilizada no cálculo do cruce que se explica nas próximas seccións.
Métodos Usado na identificación de contedores.
A identificación de contedores é un aspecto extremadamente importante nas cociñas de indución. A súa función é diferenciar a conciencia cumpre cos requisitos necesarios para o correcto funcionamento da aplicación. A ausencia deles pon en perigo o funcionamento do equipo, ata a súa rotura. Para iso, é vital, que a cociña ten un sistema de recoñecemento do material predominante co que se fabrica o caldero. Os sistemas de identificación utilizan a información presente nos parámetros eléctricos dos materiais utilizados nos contedores, para diferencialos. A idea de que cada metal ten unha resistencia eléctrica equivalente, a unha frecuencia dada, úsase para lograr a identificación. Na literatura, descríbense varias técnicas para diferenciar os materiais non ferromagnéticos dos que se atopan. Os métodos máis utilizados para a identificación de contedores son a medición actual de alta frecuencia e a resposta no dominio do tempo antes dun estímulo.
O método de identificación da medición actual no indutor é un dos máis utilizados. En, descríbese a partir dun control baseado no ciclo de fase pechado (PLL, para o seu acrónimo en inglés), a frecuencia de resonancia do sistema de contedores inductivo é solicitada. Para cada axuste de frecuencia, a medición actual é realizada polo indutor desde un transformador actual e, dependendo do valor obtido, é coñecido o tipo de material. Isto baséase nos metais anteriormente elevados e non ferromagnéticos que teñen unha resistencia moito menor que a ferromagnética, aplicando a mesma tensión ao indutor, obtense unha corrente maior. Neste caso, a tensión do inversor do inversor reduciuse a 20 V, de xeito que a corrente circulante polo sistema non afectará aos semicondutores de poder. A teoría da resposta do método no dominio de tempo antes de establecer un estímulo, que a impedancia equivalente pode ser representada a través dun circuíto RLC da serie. En, xorde que a resposta natural de que este tipo de circuíto posúe subamortado cando a frecuencia natural é maior que o coeficiente de buffer exponencial. En, pódese ver o efecto de 5 contedores de diferentes materiais metálicos, ante un pulso de activación a un dos semicondutores de poder.É evidente como a resposta natural do sistema para todos os casos é subamortada.
Ser o coeficiente de buffering moito máis baixo cando non hai contenedor sobre a cociña. En canto aos contedores, o tempo de oscilación, como é a magnitude dela, é moito maior para o aluminio que os restantes materiais ferromagnéticos, o mesmo ocorre pola frecuencia das oscilacións. Polo tanto, para identificar o tipo de material é necesario realizar o tratamento da resposta, onde se obtén un sinal cunha frecuencia proporcional á das oscilacións. No caso do número de pulsos que unha referencia fixa é maior, está en presenza de envases non ferromagnéticos ou sen un recipiente, entón o sistema de control fai que a decisión de desactivar o sistema de enerxía. Na Figura 2, o anterior está previamente exposto.
Fig. 2
Sinais utilizados para a identificación de contenedores. a) Contedor de aluminio. b) Modelación de contenedores Ferraromagnetic a carga eléctrica.
Modelización da carga eléctrica
Nos últimos 25 anos, é posible atopar unha gran variedade de métodos para calcular o Impedancia equivalente do sistema de contedores indutivo. Algúns destes son complexos, porque teñen en conta todos os parámetros físicos, eléctricos e xeométricos do inductor, garantindo un enfoque bastante preciso. Non obstante, hai outros que simplemente teñen en conta algúns parámetros esenciais do sistema inductor de contedores. Estes non son tan precisos, pero é posible obter resultados favorables no comportamento das variables eléctricas do sistema.
A continuación mencionáronse algúns dos métodos máis utilizados para o cálculo da impedancia equivalente:
-
Análise a través do modelo análogo do transformador.
-
Análise da simulación do campo electromagnético co método de elementos finitos (FEA Ferramenta, para o seu acrónimo en inglés).
-
Modelado a través da adquisición de datos da tensión e medicións actuais do sistema de contedores inductor nun rango de frecuencia.
Para o deseño das etapas de enerxía do sistema, específicamente o inversor, é necesario coñecer as características da carga, que é variable dependendo da frecuencia de conmutación. Polo tanto, neste traballo, a combinación de métodos de análise utilízase a través do modelo análogo do transformador e modelado a través da adquisición de datos da tensión e medicións actuais do sistema de contedores inductor nun rango de frecuencia, para o cálculo. Da carga. A metodoloxía utilizada para obter as características de resistencia e inductancia equivalente con respecto á frecuencia, para que se expón dous recipientes diferentes, estes resultados preséntanse na Figura 3. Está demostrado coas curvas obtidas, a variación presente na impedancia equivalente, que ten o investidor como unha carga. O rango de frecuencia ao que se vai operar a carga é de 22 kHz a 45 kHz.
Fig. 3 Parámetros de impedancia equivalente estimada. a) Resistencia equivalente. b) Inductancia equivalente.
Estratexia da etapa de control
O sistema de control da instalación experimental proposta está composta pola interface de usuario e do dispositivo de control dos circuítos de enerxía. A través dun programa desenvolvido na computadora, envíase os datos necesarios para establecer o punto de funcionamento desexado no inversor. O dispositivo de control ten que ser capaz de manter de forma estable o punto de funcionamento fixo. O elemento que regula toda a estratexia de control do sistema de enerxía é o microcontrolador PIC18F4580, o fabricante de microchip.
O microntrolador é responsable de realizar varias funcións entre as que o seguimento das proteccións é, por exemplo a tensión de A rede para iniciar o proceso se está dentro dos parámetros indicados, se non se amosa a mensaxe de falla. A continuación, realice o proceso de implementación do recipiente de acordo co algoritmo implementado en. No caso de que non sexa posible, móstrase unha mensaxe de erro, pola contra, se é ferromagnética, os valores do punto de funcionamento establecido son gardados e os sinais de control son dados ao inversor. Cada ciclo medio da rede execútase unha serie de tarefas nunha orde específica. Estes consisten na tensión da rede de medición e á temperatura de semicondutores e contedores.Todos estes sinais son comparados cunha referencia, no caso de que calquera anomalía se reflicte a través dunha mensaxe e o investidor está desactivado. Todo é a coordinación de eventos sincronizada co cruce cero da tensión da rede. Cada un deles compárase cunha referencia e comproba se está no límite posible, se non, o sistema está desactivado. O valor máximo de corrente alcanzado no posible rango é enviado ao PC. Este proceso repetirase durante o tempo que o usuario estableceu para o funcionamento do sistema e unha vez esgotado, apaga automaticamente e está listo para axustar de novo os valores. En calquera momento, o usuario ten a posibilidade de desactivar a computadora manualmente para iniciar o proceso desde o principio.
Implementación das etapas do diagrama proposto.
Os circuítos dos pasos de poder, seguimento e control están deseñados no mesmo PCB, onde os elementos de poder están agrupados no lado esquerdo da tarxeta, mentres que o seguimento e control da dereita. Figura 4 a) Presenta a tarxeta electrónica, que está conectada ao feed de rede, aos terminales indutores e ao cable USB, para a conexión á computadora. É posible facer a transferencia do código do programa ao microcontrolador, sen ter que eliminar-lo da tarxeta, xa que se usa ICSP (en programación serie de circuíto). Unha visión xeral de como se realiza o sistema implementado, móstrase na Figura 4 B). O que está a operar cunha frecuencia de 35 kHz despois de realizar un barrido de frecuencia.
Fig. 4
a) Tarxeta electrónica con circuítos eléctricos, seguimento e control da instalación experimental. b) O sistema de control e control implementado operativo a 35 kHz.
Resultados
simulacións e resultados prácticos.
A continuación, preséntanse os resultados do Simulacións obtidas a partir das etapas de poder e control da instalación experimental proposta. A ferramenta utilizada é a ISIS (sistema de entrada esquemático intelixente), pertencente ao Protez Proteus Simulation Program, da empresa Electronics Labenter. Os semicondutores de enerxía utilizados na análise son IGBT.
Figura 5, ten o comportamento de varias variables a 28 kHz. Na Figura 5 a), a tensión do inversor do inversor (azul) ten un comportamento similar ao da tensión de saída do rectificador, con todo, hai pequenos disturbios debido a que os interruptores da carga. Estes interruptores reflíctense na tensión do coleccionista do transmisor do IGBT inferior (laranxa), que ten dous compoñentes a pouca e alta frecuencia, o que se agradece é a baixa frecuencia. O valor de tensión máxima para soportar a IGB é 155V, para unha tensión de rede de 110 VRMS. En canto á Figura 5 B), as variables presentadas son a entrada (azul) e actual (laranxa) da entrada do sistema e a saída (verde) e actual (rosa) do inversor. O comportamento da corrente de entrada é prácticamente sinusoidal e está en fase con tensión, o que garante un factor de potencia preto da unidade. O valor actual máximo obtido para este caso é de 10 a, que equivale a 7.07 brazos. En canto á tensión de saída do inversor (verde), é moito maior (287 V Peak) que o correspondente aos valores teóricos. Isto é debido á oposición da inductancia equivalente a cambios repentinos actuais, cando se produce a conmutación, que produce picos de tensión que non poden ser suavizados por condensadores de cruce, o valor de capacitancia destes non é o suficientemente grande como para contrarrestar as variacións repentinas da tensión.
Fig. 5
a) Tensión inversor do inversor (azul) e tensión de transmisor do IGBT inferior (laranxa). b) Tensión (azul) e entrada actual (laranxa) do sistema e tensión (verde) e actual (rosa) saída do inversor.
Todo exposto ocorre, porque están operando preto de a frecuencia de resonancia. A corrente de saída segue o sobre da tensión de entrada do inversor, alcanzando un valor máximo de 27.5 A. Tamén é apreciable, xa que os sinais de saída do cruce son alternativos, como se esperaba segundo a teoría. O compoñente visible na figura é que correspondente a baixa frecuencia.
Na Figura 6, os comportamentos de alta frecuencia do PIC18F4580 (azul e laranxa) e a tensión do inversor (verde) e corrente (rosa), por 28 kHz están expostos. (Figura 6 a) e 35 khz (Figura 6 b). É apreciado como os sinais de control son complementarios entre si, cun pequeno tempo morto entre eles (1μs), para ambos puntos de operación. En canto aos sinais de tensión e á corrente de saída do inversor, obsérvase a medida que se alcanzan os valores máximos por 28 kHz. Nese caso, é apreciado como a actual segue un comportamento prácticamente sinusoidal, o que indica que está preto da frecuencia de resonancia, o valor máximo alcanzado é de 27.5 A. A tensión ten picos ao momento de cambiar os IGBTs, causando valores máximos Preto de 300 V. Con todo, a 35 kHz a tensión e a corrente teñen valores menores, xa que está operando a unha frecuencia maior que o sistema de RLC natural. O comportamento da corrente é máis próximo a un crecente e descenso exponencial, dependendo do pulso de activación, o valor máximo é 16 A. En canto á tensión, incluso o valor máximo alcanzado é maior que o teórico, porque o valor do entrevistado é relativamente alto , polo que os condensadores resonantes non poden contrarrestar as variacións de tensión. A medida que a frecuencia aumenta, tanto o equivalente de reactancia indutiva como a resistencia equivalente aumentan e, polo tanto, a corrente diminuirá, do mesmo xeito que ocorre coa tensión de saída ata que o seu valor se estabilice nos valores teóricos.
Fig. 6
Sinais de control do PIC18F4580 (azul e laranxa), saída de saída de tensión (verde) e corrente (rosa). a) a 28 kHz. b) a 35 kHz.
Para validar os circuítos implementados, obtense as formas de onda das variables analizadas na simulación, tanto a partir das etapas de poder e as de control. O conxunto de puntos de funcionamento é o mesmo que nas simulacións. O inversor pode operar unha vez que o contedor cumpre os requisitos da técnica de identificación do contedor, pódense ver os resultados obtidos a partir desta proba.
Os primeiros sinais eléctricos a analizar son os presentados na Figura 7 e corresponden á tensión (amarelo) e actual (azul) da entrada do sistema, a tensión de saída do rectificador (rosa) e a corrente (verde) polo indutor, en frecuencias de 28 kHz (Figura 7 a) e 35 KHz (Figura 7 B). Similar á forma en que nas simulacións, os valores máximos actuais ocorren nunha frecuencia de 28 kHz. Nesa frecuencia, pódese apreciar a medida que a corrente de entrada alcanza un valor máximo de aproximadamente 9,75 a, o que equivale a 6,9 brazos. É notable, xa que a actual (azul) segue un comportamento sinusoidal e está en fase coa tensión da rede, que garante un factor de potencia próximo á unidade. Non obstante, por 35 kHz, o valor máximo é de 5,09 a, correspondentes 3,61 armas e observadas como as deformidades son observadas na forma de onda, producida polos harmónicos presentes no sinal. Ademais, hai unha pequena fase entre a tensión actual e de entrada.
Fig. 7
Voltaxe eléctrica (amarelo) e parámetros de entrada actuais (azuis), tensión de saída do rectificador (rosa) e corrente de saída do inversor (verde). a) a 28 kHz. b) a 35 kHz.
En canto á tensión de saída do rectificador, o seu valor máximo é de 158 V porque a tensión da rede ten unha magnitude de 112 VRMS. Os valores máximos que alcanzan a corrente de saída do inversor son de 26 a e 16.8 a por 28 kHz e 35 kHz, respectivamente.
No inversor da ponte central a tensión máxima que os IGBTs deben ser compatibles é de 158 V, para unha tensión de rede de 112 VRMS, que se aprecia na Figura 8. Nela, a tensión de saída do inversor é presentada para unha frecuencia de 28 KHz, que ten un valor máximo de 330 V. O compoñente que se mostra estes dous signos de tensión e baixa frecuencia.
Fig. 8
Parámetros de tensión do inversor do inversor eléctrico (amarelo), coleccionista de tensión emitindo IGBT inferior (azul) e tensión de saída do inversor (rosa) a 28 kHz.
Figura 9, recolle as formas de onda dos pulsos de activación dos IGBT (amarelo e azul), a tensión (rosa) e a produción actual (verde) do inversor, a 28 kHz e 35 kHz .. Como era de esperar, a tensión máxima e os valores actuais ocorren por 28 kHz, onde se agradece a medida que a corrente ten un comportamento sinusoidal. Esta evidencia, que está a operar o cruce, preto da frecuencia natural do circuíto RLC, formado polo sistema de contedores indutivo e condensadores resonantes. O comportamento da tensión e as magnitudes actuais, tanto para os puntos operativos, son consistentes cos obtidos nas simulacións. A diferenza reside nos valores máximos dos sinais, que poden atribuírse á variación do produto de inductancia equivalente ao calentamiento do contenedor e ao seu contido.
Fig. 9
Tensión eléctrica (amarelo) e entrada actual (azul), tensión de saída rectificador (rosa) e corrente de saída do inversor (verde). a) a 28 kHz. b) a 35 kHz.
Interface de usuario con MATLAB
A interface de usuario, que permite o axuste da frecuencia de operación do inversor, realízase a través dun programa desenvolvido en The Matlab Guide, versión 7.7.0.471 da empresa The Mathworks. É nomeado programa para a instalación experimental de cociña de indución (PIETI).
O obxectivo principal de PiETI é obter a característica de frecuencia actual, que ten o recipiente, contra o investidor implementado. É dicir, amosar o espectro de frecuencia no que ocorre a resonancia do circuíto RLC. O programa permítelle establecer diferentes puntos de funcionamento do inversor, a través dun varrido de frecuencia manualmente ou automaticamente. Polo tanto, a ignición, fóra eo tempo que o inversor estará funcionando, está fixado desde a PC. Para lograr isto, é necesario conectarse ao porto USB da computadora, á tarxeta electrónica, que utilizando o conversor de serie-USB comunicándose polo protocolo USAT. A información enviada polo programa ao microcontrolador é o estado do cruce e a frecuencia de operación. A Figura 10, presenta a interface de usuario de Pieci, onde se presentan os resultados obtidos a partir da característica de frecuencia actual do contedor 1, a través do cal pódese coñecer cal é o valor de frecuencia de resonancia que ten para o inversor implementado. Coa función de frecuencia actual obtida, pódense facer estimacións da potencia máxima que o contedor pode consumir e permite verificar a sensibilidade da corrente á variación de frecuencia. No presente caso, pódese ver como a maior corrente obtida é de aproximadamente 10 a, ocorrendo a 28 kHz. A maior sensibilidade ao cambio de frecuencia está no rango de 29 kHz a 33 kHz, para a zona inductiva.
Fig. 10
Interface de usuario do programa de control de instalación experimental unha vez que se execute un barrido de frecuencia.
Conclusións
A cociña de indución electromagnética debe ser vista como un recipiente de cociña do sistema, Debido á influencia que posúe as características dos materiais cos que se fabrica este último elemento, no sistema de enerxía electrónica. O programa desenvolvido para a interface de usuario proporciona un control total sobre a ignición, fóra e establecemento do punto de funcionamento desexado no inversor. Ademais, permite obter as características de fluxo actual para os envases utilizados na instalación, que permitirá outros estudos no traballo futuro. Pola similitud entre as simulacións e os resultados prácticos obtidos, é posible validar o correcto funcionamento das etapas de forza deseñadas a partir da instalación experimental. A estratexia de control ea interface de usuario deseñada garanten a exitosa operación de todo o sistema electrónico. Cos resultados obtidos no traballo actual, un material é válido que explica o funcionamento desta tecnoloxía aplicada á cocción de alimentos e obtense, unha base experimental para o desenvolvemento dun prototipo de cociña de indución.