Sistema de aquecimento de indução aplicado a cozinhar

Introdução

A aparência de dispositivos de semicondutores de energia eletrônica moderna, alargado os sistemas de aquecimento de indução e, consequentemente, introdução no mercado de eletrodomésticos. Sua aplicação a fogões de indução proporcionam grandes vantagens, como redução do tempo de cozimento, potência ajustável e temperatura, limpeza fácil e economia de energia em relação a outras tecnologias de cozimento. As cozinhas elétricas de indução são equipes que aumentam a qualidade de vida de uma sociedade, melhorando o índice de desenvolvimento humano (IDH), o índice de pobreza multidimensional (IPM), o bem-estar da referida sociedade e eficiência energética do sistema energético.

O trabalho atual expõe os princípios físicos teóricos que explicam os processos de indução eletromagnética, bem como os métodos existentes para a modelagem da carga. Circuitos de energia e controle são projetados e implementados, com base em um investidor médio da ponte, para aplicação na culinária alimentar através de aquecimento de indução. As simulações realizadas no sistema de energia são mostradas e validadas a partir dos resultados práticos obtidos.

Características dos materiais

Aplicação doméstica Os sistemas de aquecimento de indução atraíram especial atenção da sociedade moderna. Um produto que foi completamente integrado a este grupo são as cozinhas de indução, ao longo de várias vantagens que apresenta. No entanto, uma culinária de indução não pode atingir valores de alta eficiência energética, embora sua eletrônica de energia otimizada. Para isso, é necessário realizar uma seleção correta da forma do indutor e do material dos recipientes.

É importante definir que o material dos recipientes utilizados em sistemas de aquecimento de indução não é apenas selecionado por resistividade e altos valores de permeabilidade relativa, uma vez que o fenômeno conhecido como efeito de filme desempenha um papel importante na geração de calor.

O fenômeno do efeito do filme limita a profundidade da penetração das correntes induzidas em um material condutor. A profundidade da penetração é a distância da superfície de um material condutor infinitamente espesso, para o qual a corrente induzida atingiu cerca de 38% do seu valor na superfície, é dada pela equação (1).

(1)

na equação 1, tem que ρ é a resistividade do material, μ_r, a permeabilidade magnética relativa do material e a frequência do Corrente elétrica.

A partir deste parâmetro É possível realizar o cálculo da resistência da superfície do material (RS) em altas freqüências, que é realizado através da equação (2).

(2)

A análise da equação (2) permite identificar que a seleção da frequência de operação é um dos parâmetros mais importantes para conta, para o desenho de um sistema de aquecimento de indução. Uma gama de valores de resistência à superfície pode estar disponível para o mesmo material, apenas variando a frequência de operação da corrente. Portanto, para atingir um sistema eficiente em relação à geração de calor no recipiente, a seleção de material a ser aquecido é baseada principalmente nos seguintes parâmetros: profundidade de penetração, permeabilidade magnética relativa e resistividade de material. Os materiais ferromagnéticos têm altos valores de resistência à superfície contra não ferromagnéticos, que permitem o mesmo valor de potência para menores valores de corrente. Isso faz com que a eficiência energética das cozinhas de indução seja grandemente comprometida por materiais não ferromagnéticos.

Um aspecto a ser levado em conta para a seleção dos materiais do contêiner é a condutividade térmica que os metais presentes, já que uma maior extensão deste parâmetro mais uniforme será a temperatura no recipiente. Os metais que têm as melhores características da condutividade térmica são a menor resistência à superfície. Por esta razão, muitas empresas produzem recipientes especiais, que são projetados para absorver energia magnética e espalhar rapidamente o calor. Desta forma, é obtido um sistema de alta eficiência, onde não são produzidos pontos quentes que queimam a comida em uma área, enquanto em outros permanece crua.

Materiais e métodos

Diagrama em blocos de energia e controle

Os sistemas de aquecimento de indução têm vários estágios, eles são geralmente divididos no estágio de poder e controle, para Explique a operação de um sistema de indução O seguinte esquema é proposto (Figura 1), deve-se notar que segue o padrão de acordo com um fogão comercial de indução. Em primeiro lugar, como um circuito supressor harmônico, um filtro de entrada capacitivo tem e como um retificador há uma ponte de diodo com um filtro LC na saída. O inversor médio da ponte é a topologia selecionada para criar a tensão de alta frequência que é fornecida ao sistema de contêineres indutiva, que é representado como uma carga variável equivalente do tipo RL, há também outras topologias, como o inversor completo da ponte ou a topologia quase ressonante (referência). As tensões exigidas pelo controle são obtidas a partir da fonte de alimentação comutada de 5 V e 18 V. Na etapa de monitoramento e detecção de contêineres, há vários circuitos usados para medir a tensão, a corrente e a temperatura em pontos essenciais dos conversores de acordo com sua função . O sistema de controle é baseado em dois estágios fundamentais. O primeiro leva em conta todas as variáveis medidas e os processos presentes nos circuitos de energia e é baseado em um microcontrolador. A segunda etapa está na interface do usuário, que é realizada por meio de um programa desenvolvido no PC e que permite o controle da frequência de operação do investidor.

A teoria da operação e cálculo de todos os elementos do poder, controle e monitoramento do esquema proposto, para uma potência de 1000 W e voltagem de rede de 110 v rms a 60 Hz, pode ser vista. Os resultados teóricos obtidos a partir dos elementos do inversor médio da ponte são os mostrados na Tabela 1, obtendo os valores da impedância de carga utilizados no cálculo do inversor são explicados nas próximas seções.

métodos Usado na identificação de contêineres.

A identificação de contêineres é um aspecto extremamente importante nas cozinhas de indução. Sua função é diferenciar qual consciência está em conformidade com os requisitos necessários para a operação correta do aparelho. A ausência de colocar em risco a operação da equipe, até mesmo a quebra. Para isso, é vital, que a cozinha tem um sistema de reconhecimento do material predominante com o qual o caldeirão é fabricado. Os sistemas de identificação usam as informações presentes nos parâmetros elétricos dos materiais usados nos recipientes, para diferenciá-los. A ideia de que cada metal tem uma resistência elétrica equivalente, a uma determinada freqüência, é usada para obter identificação. Na literatura, várias técnicas são descritas para diferenciar os materiais não ferromagnéticos a partir dos quais são. Os métodos mais utilizados para identificação de contêineres são a medição de corrente de alta frequência e a resposta no domínio do tempo antes de um estímulo.

O método de identificação da medição atual no indutor é um dos mais antigos usados. Em, é descrito a partir de um controle com base no loop de fase fechada (PLL, por sua acrônimo em inglês), é procurada a frequência de ressonância do sistema de contêineres indutivo. Para cada ajuste de freqüência, a medição atual é realizada pelo indutor de um transformador de corrente e dependendo do valor obtido, o tipo de material é conhecido. Isto é baseado nos metais previamente levantados e não ferromagnéticos com uma resistência muito menor do que ferromagnética, aplicando a mesma tensão ao indutor, é obtida uma corrente maior. Nesse caso, a tensão do inversor foi reduzida para 20 V, de modo que a corrente circulante pelo sistema não afetará os semicondutores de energia. A teoria da resposta do método no domínio do tempo antes de um estímulo estabelece, que a impedância equivalente pode ser representada através de um circuito de série RLC. Em, surge que a resposta natural que esse tipo de circuito possui é subamorizada quando a frequência natural é maior que o coeficiente de amortecimento exponencial. Em, o efeito de 5 contêineres de diferentes materiais metálicos pode ser visto, antes de um pulso de ativação para um dos semicondutores de energia.É evidente à medida que a resposta natural do sistema para todos os casos é subamorizada.

Sendo o coeficiente de buffer muito menor quando não há recipiente sobre a cozinha. Quanto aos recipientes, o tempo de oscilação, como é a magnitude dele, é muito maior para o alumínio do que para os materiais ferromagnéticos restantes, o mesmo acontece com a frequência de oscilações. Portanto, identificar o tipo de material, é necessário executar o processamento da resposta, onde um sinal é obtido com uma freqüência proporcional à das oscilações. No caso do número de pulsos que uma referência fixa é maior, é na presença de recipientes não ferromagnéticos ou sem um recipiente, então o sistema de controle toma a decisão de desligar o sistema de energia. Na Figura 2, o acima é exposto anteriormente.

Modelagem da carga elétrica

Nos últimos 25 anos, é possível encontrar uma grande variedade de métodos para calcular o Impedância equivalente do sistema de contentores indutivos. Alguns deles são complexos, porque levam em conta todos os parâmetros físicos, elétricos e geométricos do indutor, garantindo uma abordagem bastante precisa. No entanto, existem outros que simplesmente levam em conta alguns parâmetros essenciais do sistema de indutores do contêiner. Estes não são tão precisos, mas é possível obter resultados favoráveis no comportamento das variáveis elétricas do sistema.

Em seguida, alguns dos métodos mais utilizados para o cálculo da impedância equivalente são mencionados: / p>

• análise através do modelo análogo do transformador.

• Análise da simulação do campo eletromagnético com o método de elementos finitos (FEA Ferramenta, por sua acrônimo em inglês).

• Modelado através da aquisição de dados das medições de tensão e corrente do sistema de contêineres do Indutor em um intervalo de frequência.

Para o desenho dos estágios de energia do sistema, especificamente o inversor, é necessário conhecer as características da carga, que é variável, dependendo da frequência de comutação. Portanto, neste trabalho, a combinação de métodos de análise é usada através do modelo análogo do transformador e modelado por meio da aquisição de dados das medidas de tensão e corrente do sistema de contêineres do Indutor em uma faixa de freqüência, para o cálculo. carregar. A metodologia utilizada para obter as características de resistência e indutância equivalente em relação à frequência, para dois contêineres diferentes é exposta, estes resultados são apresentados na Figura 3. É demonstrado com as curvas obtidas, a variação presente na impedância equivalente, que tem o investidor como uma carga. A faixa de freqüência a que a carga será operada é de 22 kHz a 45 kHz.

FIG. 3
parâmetros de impedância equivalente estimada. a) Resistência equivalente. b) Indutância equivalente.

Estratégia do estágio de controle

O sistema de controle da instalação experimental proposta é composto da interface do usuário e do dispositivo de controle dos circuitos de energia. Através de um programa desenvolvido no computador, os dados necessários são enviados, para definir o ponto de operação desejado no inversor. O dispositivo de controle deve ser capaz de manter estável ao ponto de operação fixo. O elemento que governa toda a estratégia de controle do sistema de energia é o microcontrolador PIC18F4580, o fabricante de microchip.

O micronroller é responsável por realizar várias funções entre as quais o monitoramento das proteções é, por exemplo, a tensão de A rede para iniciar o processo se estiver dentro dos parâmetros indicados, caso contrário, a mensagem de falha de tensão será exibida. Em seguida, execute o processo de implementação do contêiner de acordo com o algoritmo implementado. Caso não seja possível, uma mensagem de erro é mostrada, pelo contrário, se for ferromagnética, os valores do ponto de operação estabelecido são salvos e os sinais de controle são dados ao inversor. Cada ciclo médio da rede é executado uma série de tarefas em uma ordem específica. Estes consistem na tensão da rede de medição e temperatura de semicondutores e recipiente.Todos esses sinais são comparados com uma referência, caso haja alguma anomalia, seja refletido por meio de uma mensagem, e o investidor está desativado. Toda a coordenação do evento é sincronizada com o cruzamento zero da tensão da rede. Cada um deles é comparado com uma referência e verifica se está no limite possível, caso contrário, o sistema está desligado. O valor máximo atual atingido no intervalo possível é enviado para o PC. Esse processo será repetido durante o tempo que o usuário estabeleceu para a operação do sistema e, uma vez esgotado, desliga-se automaticamente e pronto para ajustar os valores novamente. A qualquer momento, o usuário tem a possibilidade de desativar o computador manualmente para iniciar o processo desde o início.

Implementação das etapas do diagrama proposto.

Os circuitos das etapas de energia, monitoramento e controle são projetados no mesmo PCB, onde os elementos de energia são agrupados no lado esquerdo do cartão, enquanto monitora e controle à direita. A Figura 4 A) apresenta o cartão eletrônico, que é conectado ao feed de rede, os terminais do Indutor e o cabo USB, para conexão ao computador. É possível fazer a transferência do código do programa para o microcontrolador, sem ter que removê-lo a partir do cartão, como ICSP (programação serial em circuito) é usado. Uma visão geral de como é feita o sistema implementado, é mostrado na Figura 4 b). Aquele que está operando a uma frequência de 35 kHz depois de ter executado uma varredura de frequência.

fig. 4
A) Cartão eletrônico com circuitos de energia, monitoramento e controle da instalação experimental. b) sistema de potência e controle implementado operando em 35 kHz.

resultados

simulações e resultados práticos.

Em seguida, os resultados são apresentados do Simulações obtidas a partir dos estágios de energia e controle da instalação experimental proposta. A ferramenta usada é o ISIS (sistema de entrada esquemática inteligente), pertencente ao Programa Professional Proteus Simulation, da empresa LabCenter Electronics. Os semicondutores de poder usados na análise são IGBT.

Figura 5, tem o comportamento de várias variáveis em 28 kHz. Na Figura 5 a), a tensão do inversor do inversor (azul) tem um comportamento semelhante ao da tensão de saída do retificador, no entanto, há pequenos distúrbios devido a switches na carga. Esses switches são refletidos na tensão do coletor transmissor do IGBT inferior (laranja), que possui dois componentes a baixa e alta frequência, que é apreciada é a baixa frequência. O valor máximo de tensão para suportar os IGBs é de 155V, para uma tensão de rede de 110 VRMs. Quanto à figura 5 b), as variáveis apresentadas são a entrada (azul) e corrente (laranja) da entrada do sistema e da saída (verde) e corrente (rosa) do inversor. O comportamento da corrente de entrada é praticamente sinsoidal e está em fase com tensão, o que garante um fator de potência perto da unidade. O valor máximo de corrente obtido para este caso é 10 A, que é equivalente a 7,07 braços. Quanto à tensão de saída do inversor (verde), é muito maior (pico 287 V) do que o correspondente aos valores teóricos. Isto é devido à oposição da indutância equivalente a mudanças repentinas de corrente, quando ocorre a troca, que produz picos de tensão que não podem ser alisados pelos capacitores do inversor, o valor de capacitância destes não é grande o suficiente para neutralizar as variações súbitas da tensão.

Tudo exposto acontece, porque eles estão operando nas proximidades a frequência de ressonância. A corrente da saída segue o envelope da tensão de entrada do inversor, atingindo um valor máximo de 27,5 A. É também apreciável, pois os sinais de saída do inversor são alternados, conforme esperado de acordo com a teoria. O componente visível na figura é que correspondente a baixa frequência.

Na Figura 6, os comportamentos de alta frequência da saída do inversor PIC18F4580 (azul e laranja) e tensão (verde) e corrente (rosa), para 28 kHz são expostos. (Figura 6 a) e 35 kHz (figura 6 b). É apreciado como os sinais de controle são complementares entre si, com um pequeno tempo morto entre eles (1μs), para ambos os pontos de operação. Quanto aos sinais de tensão e corrente de saída do inversor, é observado como os valores máximos são atingidos para 28 kHz. Nesse caso, é apreciado à medida que a corrente segue um comportamento praticamente sinusoidal, indicando que está perto da frequência de ressonância, o valor máximo atingido é 27.5 A. A tensão tem picos no momento da mudança do IGBTS, causando valores máximos Perto de 300 V. No entanto, a 35 kHz, a tensão e a corrente têm valores menores, uma vez que está operando em uma frequência maior que o sistema RLC natural. O comportamento da corrente está mais próximo de um exponencial crescente e decrescente, dependendo do pulso de ativação, o valor máximo é 16 A. No que diz respeito à tensão, mesmo o valor máximo alcançado é maior que a teórica, porque o valor respondente é relativamente alto , para que os capacitores ressonantes não possam neutralizar variações de tensão. Como a frequência aumenta, tanto o equivalente de reatância indutiva quanto a resistência equivalente são aumentadas e, portanto, a corrente diminuirá, da mesma forma que ocorre com a tensão de saída até que seu valor seja estabilizado nos valores teóricos.

fig. 6
sinais de controle do PIC18F4580 (azul e laranja), saída de saída de tensão (verde) e corrente (rosa). a) a 28 kHz. b) a 35 kHz.

Para validar os circuitos implementados, as formas de onda das variáveis analisadas na simulação são obtidas, tanto dos estágios de energia quanto dos de controle. Os pontos de operação são os mesmos que nas simulações. O inversor pode operar uma vez que o contêiner cumpra os requisitos da técnica de identificação do contêiner, os resultados obtidos a partir deste teste podem ser vistos.

Os primeiros sinais elétricos a serem analisados são os apresentados na Figura 7, e correspondem à tensão (amarelo) e corrente (azul) da entrada do sistema, tensão de saída do retificador (rosa) e a corrente (verde) pelo indutor, em frequências de 28 kHz (Figura 7 a) e 35 kHz (Figura 7 B). Semelhante a como nas simulações, os valores máximos de corrente ocorrem a uma frequência de 28 kHz. Nessa freqüência, pode ser apreciado à medida que a corrente de entrada atinge um valor máximo de aproximadamente 9,75 A, que é equivalente a 6,9 braços. É notável, como segue o atual (azul) segue um comportamento sinusoidal e está em fase com a tensão da rede, que garante um fator de potência próximo à unidade. No entanto, para 35 kHz, o valor máximo é de 5,09 A, correspondentes de 3,61 braços e observados como deformidades são observadas na forma de onda, produzidas pelos harmônicos presentes no sinal. Além disso, há uma pequena fase entre a tensão atual e de entrada.

fig. 7
Tensão elétrica (amarelo) e parâmetros de entrada (azuis), tensão de saída do retificador (rosa) e corrente de saída do inversor (verde). a) a 28 kHz. b) a 35 kHz.

Quanto à tensão de saída do retificador, seu valor máximo é de 158 v porque a tensão da rede tem uma magnitude de 112 vrms. Os valores de pico que atingem a corrente de saída do inversor são de 26 a e 16,8 a para 28 kHz e 35 kHz, respectivamente.

no inversor do meio a tensão máxima que o IGBTS deve ser suportado é 158 V, para uma tensão de rede de 112 VRMs, que é apreciada na Figura 8. Nele, a tensão de saída do inversor é apresentada para uma frequência de 28 kHz, que tem um valor de pico de 330 V. O componente mostrado de Estes dois sinais de tensão é de baixa frequência.

fig. 8
Parâmetros de tensão do inversor elétrico (amarelo), coletor de tensão emitindo menor IGBT (azul) e tensão de saída do inversor (rosa) a 28 kHz.

Figura 9, coleta as formas de onda dos pulsos de ativação do IGBTS (amarelo e azul), a saída de tensão (rosa) e corrente (verde) do inversor, para 28 kHz e 35 kHz . Como esperado, os valores máximos de tensão e corrente ocorrem para 28 kHz, onde é apreciado à medida que a corrente tem comportamento sinusoidal. Essa evidência, que está operando o inversor, perto da frequência natural do circuito RLC, formada pelo sistema de contêineres indutivo e no capacitores ressonantes. O comportamento de magnitudes de tensão e atuais, para ambos os pontos operacionais, são consistentes com os obtidos nas simulações. A diferença está nos valores de pico dos sinais, que podem ser atribuídos à variação do produto de indutância equivalente ao aquecimento do recipiente e do seu conteúdo.

fig. 9
Tensão elétrica (amarelo) e entrada (azul) de corrente, retificador de tensão de saída (rosa) e corrente de saída do inversor (verde). a) a 28 kHz. b) em 35 kHz.

interface do usuário com o Matlab

A interface do usuário, que permite ao ajuste da frequência de operação do inversor, é feita por meio de um programa desenvolvido em O Guia Matlab, versão 7.7.0.471 da empresa o Mathworks. É nomeado programa de instalação experimental de cozinha de indução (Pieti).

O principal objetivo do Pieti é obter o recurso de frequência atual, que tem o recipiente, contra o investidor implementado. Ou seja, mostre o espectro de frequência em que ocorre a ressonância do circuito RLC. O programa permite definir diferentes pontos de operação do inversor, através de uma varredura de freqüência manualmente ou automaticamente. Portanto, a ignição, desligada e o tempo que o inversor estará correndo, é fixo do PC. Para conseguir isso, é necessário ter conectado à porta USB do computador, para a placa eletrônica, que o uso do conversor serial-USB se comunica pelo protocolo USAT. As informações enviadas pelo programa para o microcontrolador é o status do inversor e a frequência de operação. A Figura 10 apresenta a interface do usuário do Pieci, onde são apresentados os resultados da característica de frequência atual do contêiner 1, através do qual pode ser conhecido qual é o valor de frequência de ressonância que tem para o inversor implementado. Com o recurso de frequência atual obtido, as estimativas podem ser feitas da potência máxima que o contêiner pode consumir e permite verificar a sensibilidade da corrente à variação de freqüência. No presente caso, pode ser visto como a maior corrente obtida é de aproximadamente 10 a, ocorrendo em 28 kHz. A maior sensibilidade à mudança de frequência está no intervalo de 29 kHz a 33 kHz, para a zona indutiva.

fig. 10
Interface do usuário do programa experimental de controle de instalação, uma vez que uma varredura de frequência é executada.

Conclusões

O fogão de indução eletromagnético deve ser visto como um recipiente de cozimento do sistema, Devido à influência que possui as características dos materiais com os quais este último elemento é fabricado, no sistema de energia eletrônica. O programa desenvolvido para interface de usuário fornece controle total sobre a ignição, desligada e estabelecimento do ponto de operação desejado no inversor. Além disso, permite obter os recursos de fluxo atuais para os recipientes usados na instalação, o que permitirá a outros estudos no trabalho futuro. Pela semelhança entre as simulações e os resultados práticos obtidos, é possível validar o funcionamento correto dos estágios de força projetados da instalação experimental. A estratégia de controle e a interface de usuário projetada garantem a operação bem-sucedida de todo o sistema eletrônico. Com os resultados alcançados no presente trabalho, um material é válido que explica o funcionamento desta tecnologia aplicado à cozedura de alimentos e é obtida, uma base experimental para o desenvolvimento de um protótipo de cozinha de indução.