Cómo funciona el calentamiento por inducción

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

Tengo un sistema de calentamiento por inducción que tiene un conducto de bobina al que se le aplica un voltaje de CA que frecuencia puedo regular y uso las ollas de cocina como carga.

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

Una razón podría ser las pérdidas por histéresis, pero muchos documentos dicen que las pérdidas por histéresis solo contribuyen hasta el 10% de las pérdidas de potencia totales dentro del recipiente. Entonces, si esto es verdad, esta no podría ser la razón.

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

Entonces, ¿cuál es la razón de esto? Los materiales de baja resistencia inducen pérdidas pobres y los materiales de alta resistencia inducen pérdidas pobres. Si la resistencia no es lo que determina las pérdidas, ¿qué es?

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

Pero para responder a su pregunta, las cocinas de inducción solo 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 e inferior (utilizan 18 kHz + para evitar el ruido en el rango audible) .

Ahora, la inductancia con las ollas de acero es mucho mayor, y también lo es la resistencia que siente la bobina. Ahora, ¿qué pasa si ponemos una olla de aluminio? La resistencia y la inductancia disminuyen. Esto afecta a la frecuencia resonante del circuito resonante LC. 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 debido a que tenemos una resistencia baja, la corriente consumida sería muy grande y debido a la resistencia tan baja, el calentamiento sería aún menor. La gran corriente aumenta las pérdidas negativas debido a la resistencia interna de la bobina y los elementos de conmutación solo pueden tomar una cantidad limitada de corriente.

Esto explica por qué no podemos calentar aluminio en bajas frecuencias. Aumentamos la frecuencia para aumentar la resistencia de las ollas de aluminio debido al aumento del efecto de la piel que nos permite tener una corriente más baja en los elementos de conmutación para la misma cantidad de potencia de calefacción.

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 causa un aumento de 0.3 ohmios en la resistencia sobre la primaria y en la otra una olla de acero que agrega 5 ohmios de resistencia sobre la primaria. En ambos casos, la resistencia interna de la primaria es despreciable.

Vemos que la olla de aluminio está tomando 30 W de potencia mientras que la olla de acero está tomando 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. Debido a que las ollas tienen diferentes resistencias eléctricas, las corrientes de Foucault dentro de ellas también deberían ser diferentes. Las pérdidas se calculan por la corriente que fluye dentro de los potes al cuadrado por la resistencia de los potes.

Debido a que la resistencia del aluminio es menor, las corrientes en su interior son mayores, lo que significa que se deben crear más pérdidas en la olla de aluminio. Pero el resultado real es justo lo contrario. Esta es la parte principal de mi confusión.

    
pregunta MaDrung

4 respuestas

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Estoy considerando su caso editado, donde la frecuencia y la corriente se mantienen constantes. Observa que el EMF debería ser el mismo en ambas macetas, por lo tanto, la olla con una resistencia más baja debería calentarse más. Sin embargo, creo que estás asumiendo algo que no es cierto. El EMF 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 una corriente constante, dará lugar a un campo magnético (campo H) variable en el tiempo que será el mismo en ambos potes. Pero debido a la alta permeabilidad magnética de la olla de acero, la densidad de flujo magnético (campo B) será mucho más alta que en la olla de aluminio.

Como saben, la ley de Faraday relaciona la tasa de cambio en el campo B con EMF. Como la olla de acero tendrá un campo B mucho más alto, también tendrá un EMF mucho más alto y, por lo tanto, una disipación de potencia mucho mayor a pesar de su alta resistencia.

Si los EMF en los dos potes fueran realmente iguales, entonces puedes ver fácilmente en la ecuación P = V ^ 2 / R que el potaje con menor resistencia tendrá una mayor disipación.

Para ser un poco más numérico, tenga en cuenta que la permeabilidad del acero es alrededor de 100 veces más alta que el aluminio, por lo que el EMF en acero es alrededor de 100 veces más alto, y V ^ 2 es 10,000 veces más alto. 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 bajo la misma magnitud de campo H.

    
respondido por el mkeith
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Creo que se requiere una perspectiva diferente. Necesitamos verlo desde el punto de vista de transferencia de energía .
Hay al menos 3 componentes para la transferencia de potencia "inducida". 1 - acción del transformador , 2 - histéresis y 3 - resonancia .
La mayor parte de la potencia se transfiere mediante acción del transformador . La olla de metal actúa como un cortocircuito , "1 vuelta" secundaria, así como el núcleo del transformador.
Como es bien sabido, el hierro tiene una mejor permeabilidad que otros metales (aluminio), por lo que es mejor para transferir la potencia primaria a la secundaria. Dado que 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 contribuye con un 10% adicional.
La resonancia también es un factor importante porque diferentes metales (materiales) tendrán diferentes frecuencias de resonancia, y la frecuencia de resonancia es muy importante para lograr la máxima transferencia de potencia.

    
respondido por el Guill
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Un calentador de inducción es realmente un transformador donde el secundario es lo que se está calentando. Una ventaja importante de esto es que puede haber aislamiento entre la entrada de energía y la cosa que se está calentando. Los campos magnéticos pueden pasar a través de barreras eléctricas, térmicas, químicas y otras.

Como con cualquier transformador, hay una impedancia equivalente presentada en el secundario. Para una transferencia de potencia máxima, la carga debe coincidir con esta impedancia. La potencia es el voltaje por la corriente. A 0 impedancia, el voltaje es 0, por lo que la potencia es 0. A infinita impedancia, la corriente es 0, por lo que la potencia es 0.

Aparentemente, los calentadores de inducción que usted describe están configurados para entregar la máxima potencia a algo de hierro o acero. El aluminio es más conductor y, aparentemente, tiene una impedancia demasiado baja para trabajar de manera eficiente con el calentador de inducción que tiene. El plástico no funcionará en absoluto porque la impedancia es muy alta, efectivamente infinita para fines prácticos.

    
respondido por el Olin Lathrop
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Si tenemos una fuente de corriente que mantiene 10 A a una frecuencia fija ... En ambos casos, la resistencia interna de la primaria es despreciable ...

     

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

La olla de aluminio es reflectante. Refleja la mayor parte de la energía. Dado que la energía reflejada no es absorbida por la olla de aluminio, en su mayoría no se toma de la fuente de alimentación de baja impedancia de 10 amperios que postula. Por lo tanto, el voltaje en su fuente de alimentación teórica de 10 amperios es menor: si lo crea con una fuente de conmutación conectada a la red, tomará menos corriente de la red. Si lo creas con un suministro lineal conectado a la red eléctrica, el suministro lineal se calentará.

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

El aluminio está en el campo cercano de las bobinas de inducción, por lo que no puedes llamarlo 'radiación', por lo que no tienes 'radiación' y 'reflexión', pero en el nivel atómico tienes un campo EM que, a través de la interacción (en su mayoría) con los electrones se transfiere a la 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 re-radiación / reflexión es eficiente.

    
respondido por el david

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