Cómo funciona el calentamiento por inducción

Question

En Internet hay una cantidad increíble de información contradictoria. Los libros de texto no lo explican con suficiente profundidad, así que tengo que preguntar aquí.

Tengo un sistema de calentamiento por inducción que tiene una bobina a través de la cual se aplica una tensión alterna cuya frecuencia puedo regular y utilizo ollas como carga.

Estoy interesado en el consumo de energía de diferentes ollas. Me interesa sobre todo saber por qué las ollas de aluminio no pueden calentarse a las mismas frecuencias que las ollas con mayor permeabilidad.

Una razón podrían ser las pérdidas por histéresis, pero muchos trabajos afirman que las pérdidas por histéresis sólo contribuyen hasta un 10 % a las pérdidas totales de potencia dentro de la olla. Así que si esto es cierto, esta no podría ser la razón.

Luego dicen que las pérdidas aumentan si aumenta la resistencia de la olla. Pero eso no tiene sentido porque entonces los potes de plástico tendrían las pérdidas más altas debido a la alta resistencia. Mi pensamiento es que si el pote tiene una resistencia baja, entonces las corrientes serán más altas que aumentarán las pérdidas. Si una maceta tiene una resistencia alta, fluirá menos corriente y las pérdidas serán menores. Pero esto no es lo que observamos.

¿A qué se debe? Los materiales de baja resistencia inducen malas pérdidas y los materiales de alta resistencia inducen malas pérdidas. Si la resistencia no es lo que determina las pérdidas, ¿entonces qué es?

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EDITADO por mkeith: Estoy más interesado en cómo se inducen las corrientes de Foucault dentro del material y cómo conduce a pérdidas, que en un producto real.

Pero para responder a tu pregunta, las cocinas de inducción sólo pueden calentar ollas de aluminio a altas frecuencias (alrededor de 100 kHz), mientras que el acero se puede calentar igual de bien a 18 kHz y menos (utilizan 18 kHz+ para evitar ruidos en la gama audible).

Ahora bien, la inductancia con ollas de acero es efectivamente mucho mayor, y también lo es la resistencia que siente la bobina. Ahora bien, ¿qué ocurre si ponemos una olla de aluminio? La resistencia y la inductancia disminuyen. Esto afecta a la frecuencia de resonancia del circuito LC resonante. La frecuencia de resonancia aumenta. También debido a la disminución de la resistencia, la corriente aumenta (si aumentamos la frecuencia para que coincida con la nueva frecuencia de resonancia). Esto significaría que como tenemos una resistencia baja, la corriente consumida sería muy grande y debido a una resistencia tan baja el calentamiento seguiría siendo menor. Una gran corriente aumenta las pérdidas negativas debido a la resistencia interna de la bobina y los elementos de conmutación sólo pueden soportar una cantidad limitada de corriente.

Esto explica por qué no podemos calentar el aluminio a bajas frecuencias. Aumentamos la frecuencia para aumentar la resistencia de las ollas de aluminio debido a un mayor efecto piel que nos permite tener una menor corriente que pasa a través de los elementos de conmutación para la misma cantidad de potencia de calentamiento.

Ahora entiendo esto, pero la verdadera pregunta que me interesa es la siguiente. Si tenemos una fuente de corriente que mantiene 10 A a una frecuencia fija. Y en un caso tenemos una olla de aluminio que provoca un aumento de 0,3 ohmios de resistencia sobre el primario y en el otro una olla de acero que añade 5 ohmios de resistencia sobre el primario. En ambos casos la resistencia interna del primario es despreciable.

Vemos que la olla de aluminio consume 30 W de potencia, mientras que la olla de acero consume 500 W. Pero, ¿qué sentido tiene esto desde la siguiente perspectiva?

La corriente es la misma en ambos casos, por lo que la fuerza electromotriz creada en ambas ollas es la misma. Como las resistencias eléctricas de las ollas son diferentes, las corrientes de Foucault en su interior también deben ser diferentes. Las pérdidas se calculan elevando al cuadrado la corriente que circula por el interior de las ollas por la resistencia de las ollas.

Dado que la resistencia del aluminio es menor, la corriente en su interior es mayor, lo que significa que se producirán más pérdidas en la olla de aluminio. Pero el resultado real es justo el contrario. Esta es la parte principal de mi confusión.

Answer 1

Estoy considerando tu caso editado, en el que la frecuencia y la corriente se mantienen constantes. Usted observa que el EMF debe ser el mismo en ambos potes, por lo tanto el pote con una resistencia más baja debe calentarse más. Sin embargo, creo que estás asumiendo algo que no es cierto. El CEM no será el mismo en las ollas de acero y aluminio porque la densidad de flujo magnético (campo B) no será la misma.

La bobina primaria, accionada a corriente constante, dará lugar a un campo magnético variable en el tiempo (campo H) que será el mismo en ambos potes. Pero debido a la alta permeabilidad magnética del recipiente de acero, la densidad de flujo magnético (campo B) en él será mucho, mucho mayor que en el recipiente de aluminio.

Como sabes, la ley de Faraday relaciona la velocidad de cambio del campo B con el EMF. Como la olla de acero tendrá un campo B mucho mayor, también tendrá una FEM mucho mayor y, por tanto, una disipación de potencia mucho mayor a pesar de su alta resistencia.

Si el EMF en los dos potes fuera realmente el mismo, entonces se puede ver fácilmente en la ecuación P=V^2/R que el pote con menor resistencia tendría mayor disipación.

Para ser un poco más numérico, tenga en cuenta que la permeabilidad del acero es alrededor de 100 veces mayor que la del aluminio, por lo que el CEM en el acero es en realidad alrededor de 100 veces mayor, y V^2 es 10.000 veces mayor. El aluminio es mejor conductor que el acero, pero no 10.000 veces mejor, por lo que el resultado neto es que el acero se calienta mucho más con la misma magnitud de campo H.

Answer 2

Creo que hace falta una perspectiva diferente. Tenemos que verlo desde una transferencia de potencia punto de vista.
Hay al menos 3 componentes en la transferencia de potencia "inducida". 1 - acción del transformador , 2 - histéresis , y 3 - resonancia .
La mayor parte de la energía se transfiere por acción del transformador . La olla metálica actúa como cortocircuitado secundario de "1 vuelta", así como el transformador de núcleo .
Como es bien sabido, el hierro tiene mejor permeabilidad que otros metales (aluminio), por lo que transfiere mejor la potencia primaria a la secundaria.
Como el secundario (el núcleo) está "en cortocircuito", la potencia transferida se disipa en/por el núcleo.
El segundo componente, la histéresis, ya se ha mencionado y aporta un 10% adicional.
La resonancia también es un factor importante, ya que diferentes metales (materiales) tendrán diferentes frecuencias de resonancia, y la frecuencia de resonancia es muy importante para lograr la máxima transferencia de potencia.

Answer 3

Un calentador de inducción es en realidad un transformador en el que el secundario es lo que se calienta. Una ventaja importante es que se puede aislar la entrada de energía del objeto que se calienta. Los campos magnéticos pueden atravesar barreras eléctricas, térmicas, químicas y de otro tipo.

Como en cualquier transformador, en el secundario se presenta una impedancia equivalente. Para que la transferencia de potencia sea máxima, la carga tiene que coincidir con esta impedancia. La potencia es la tensión multiplicada por la corriente. A impedancia 0, la tensión es 0, por lo que la potencia es 0. A impedancia infinita, la corriente es 0, por lo que la potencia es 0.

Al parecer, los calentadores de inducción que describes están preparados para suministrar la máxima potencia a algo de hierro o acero. El aluminio es más conductor, y aparentemente tiene una impedancia demasiado baja para trabajar eficientemente con el calentador de inducción que tienes. El plástico no funcionará en absoluto porque la impedancia es muy alta, efectivamente infinita a efectos prácticos.

Answer 4

Si tenemos una fuente de corriente que mantiene 10 A a una frecuencia fija ... En ambos casos la resistencia interna del primario es despreciable...

... Vemos que la olla de aluminio consume 30 W de potencia, mientras que la olla de acero consume 500 W. Pero, ¿qué sentido tiene esto desde la siguiente perspectiva?

La olla de aluminio es reflectante. Refleja la mayor parte de la energía. Como esa energía reflejada no es absorbida por el pote de aluminio, en su mayor parte no es tomada de la fuente de alimentación de baja impedancia de 10 Amp que postulas. Así que el voltaje de tu teórica fuente de alimentación de 10 Amp es menor: si la creas con una fuente conmutada conectada a la red, tomará menos corriente de la red. Si la creas con una fuente lineal conectada a la red, la fuente lineal se calentará.

El mecanismo de reflexión implica las corrientes inducidas, por lo que se puede llegar desde aquí, pero para ello hay que aceptar los hechos observables: fluye mucha corriente en el aluminio, no se pierde mucha potencia en el aluminio.

El aluminio está en el campo cercano de las bobinas de inducción, por lo que no se puede llamar "radiación", así que no hay "radiación" ni "reflexión", pero a nivel atómico hay un campo electromagnético que, a través de la interacción (principalmente) con los electrones, se transfiere a energía térmica o se retransmite. En el caso del aluminio, el mecanismo de transferencia a energía térmica a bajas frecuencias no es eficiente, y el mecanismo de retransmisión/reflexión sí lo es.