Cómo diseñar un circuito de calentador de inducción

Cómo diseñar un circuito de calentador de inducción

El artículo explica un tutorial paso a paso sobre el diseño de su propio circuito de calentador de inducción básico casero, que también se puede utilizar como placa de inducción.

Concepto básico de calentador de inducción

Es posible que haya encontrado muchos circuitos de calentadores de inducción de bricolaje en línea, pero nadie parece haber abordado el secreto crucial detrás de la implementación de un diseño de calentador de inducción perfecto y exitoso. Antes de conocer este secreto sería importante conocer el concepto básico de funcionamiento de un calentador de inducción.



Un calentador de inducción es en realidad una forma extremadamente 'ineficiente' de transformador eléctrico, y esta ineficiencia se convierte en su principal característica ventajosa.



Sabemos que en un transformador eléctrico el núcleo debe ser compatible con la frecuencia inducida, y cuando hay una incompatibilidad entre la frecuencia y el material del núcleo en un transformador, se genera calor.

Básicamente, un transformador con núcleo de hierro requerirá un rango de frecuencia más bajo, alrededor de 50 a 100 Hz, y a medida que esta frecuencia aumenta, el núcleo puede mostrar una tendencia a calentarse proporcionalmente. Eso implica que si la frecuencia se aumenta a un nivel mucho más alto, puede ser superior a 100 kHz, lo que resultaría en la generación de calor extremo dentro del núcleo.



Sí, esto es exactamente lo que sucede con un sistema de calentador de inducción donde la placa de cocción actúa como el núcleo y, por lo tanto, está hecha de material de hierro. Y la bobina de inducción se somete a una alta frecuencia, lo que en conjunto da como resultado la generación de una cantidad de calor proporcionalmente intensa en el recipiente. Dado que la frecuencia se optimiza a un nivel significativamente alto, se garantiza un calor máximo posible en el metal.

Ahora procedamos y aprendamos los aspectos importantes que pueden ser necesarios para diseñar un circuito de calentador de inducción exitoso y técnicamente correcto. Los siguientes detalles explicarán esto:

Que necesitarás

Las dos cosas básicas necesarias para construir cualquier batería de cocina de inducción son:



1) Una bobina bifilar.

2) Un circuito generador de frecuencia ajustable

Ya he hablado de algunos circuitos de calentadores de inducción en este sitio web, puede leerlos a continuación:

Circuito del calentador de inducción solar

Circuito del calentador de inducción con IGBT

Circuito de calentador de inducción simple - Circuito de cocina de placa caliente

Pequeño circuito de calentador de inducción para proyecto escolar

Todos los enlaces anteriores tienen las dos cosas anteriores en común, es decir, tienen una bobina de trabajo y una etapa de oscilador del controlador.

Diseño de la bobina de trabajo

Para diseñar un utensilio de cocina de inducción, se supone que la bobina de trabajo es de naturaleza plana, por lo tanto debe ser de tipo bifilar con su configuración, como se muestra a continuación:

El diseño de tipo de bobina bifilar que se muestra arriba se puede implementar de manera efectiva para hacer sus utensilios de cocina de inducción caseros.

Para una respuesta óptima y una baja generación de calor dentro de la bobina, asegúrese de que el cable de la bobina bifilar esté hecho con muchos hilos delgados de cobre en lugar de un solo cable sólido.

Por lo tanto, esto se convierte en la bobina de trabajo de los utensilios de cocina, ahora los extremos de esta bobina simplemente deben integrarse con un capacitor correspondiente y una red de controlador de frecuencia compatible, como se muestra en la siguiente figura:

Diseño del circuito del controlador resonante de la serie H-Bridge

Hasta ahora, la información debería haberlo iluminado con respecto a cómo configurar un diseño simple de utensilios de cocina de inducción o de estufa de inducción, sin embargo, la parte más crítica del diseño es cómo hacer resonar la red de condensadores de la bobina (el circuito del tanque) en el rango más óptimo para que el circuito funciona al nivel más eficiente.

Permitir que el circuito del tanque de bobina / condensador (circuito LC) funcione a su nivel de resonancia requiere que la inductancia de la bobina y la capacitancia del condensador coincidan perfectamente.

Esto puede suceder solo cuando la reactancia de ambas contrapartes es idéntica, es decir, la reactancia de la bobina (inductor) y del capacitor son aproximadamente iguales.

Una vez que esto esté arreglado, puede esperar que el circuito del tanque funcione a su frecuencia natural y que la red LC alcance el punto de resonancia. Esto se llama circuito LC perfectamente sintonizado.

Esto concluye los procedimientos básicos de diseño del circuito del calentador de inducción.

Quizás se esté preguntando qué es la resonancia de un circuito LC. ¿Y cómo se puede calcular rápidamente para completar un diseño de calentador de inducción específico? Discutiremos esto de manera integral en las siguientes secciones.

Los párrafos anteriores explicaron los secretos fundamentales detrás del desarrollo de una placa de inducción de bajo costo pero efectiva en el hogar, en las siguientes descripciones veremos cómo esto se puede implementar calculando específicamente sus parámetros cruciales, como la resonancia de su circuito LC sintonizado y la dimensión correcta de el cable de la bobina para garantizar una capacidad de manejo de corriente óptima.

¿Qué es la resonancia en el circuito LC del calentador de inducción?

Cuando el capacitor dentro de un circuito LC sintonizado se carga momentáneamente, el capacitor intenta descargar y volcar la carga acumulada sobre la bobina, la bobina acepta la carga y almacena la carga en forma de campo magnético. Pero tan pronto como el condensador se ha descargado en el proceso, la bobina desarrolla una cantidad de carga casi equivalente en forma de campo magnético y ahora intenta forzarlo de regreso dentro del condensador, aunque con una polaridad opuesta.

Imagen de cortesía:

Wikipedia

El condensador se ve nuevamente obligado a cargar, pero esta vez en la dirección opuesta, y tan pronto como está completamente cargado, una vez más intenta vaciarse a través de la bobina, y esto da como resultado un intercambio de carga de ida y vuelta en forma de una corriente oscilante a través de la red LC.

La frecuencia de esta corriente oscilante se convierte en la frecuencia de resonancia del circuito LC sintonizado.

Sin embargo, debido a las pérdidas inherentes, las oscilaciones anteriores eventualmente se extinguen en el transcurso del tiempo, y la frecuencia y la carga terminan después de algún tiempo.

Pero si se permite que la frecuencia se sostenga a través de una entrada de frecuencia externa, sintonizada al mismo nivel de resonancia, eso podría asegurar que se induzca un efecto de resonancia permanente a través del circuito LC.

A la frecuencia de resonancia, podemos esperar que la amplitud del voltaje que oscila a través del circuito LC esté en el nivel máximo, lo que resulta en la inducción más eficiente.

Por lo tanto, podemos implicar que, para implementar una resonancia perfecta dentro de una red LC para un diseño de calentador de inducción, necesitamos garantizar los siguientes parámetros cruciales:

1) Un circuito LC sintonizado

2) Y una frecuencia coincidente para mantener la resonancia del circuito LC.

Esto se puede calcular usando la siguiente fórmula simple:

F = 1 ÷ x √LC

donde L está en Henry y C está en Farad

Si no desea pasar por las molestias de calcular la resonancia del tanque LC de la bobina a través de la fórmula, una opción mucho más simple podría ser utilizar el siguiente software:

Calculadora de frecuencia resonante LC

O también puede construir esto Medidor de inmersión de red para identificar y establecer la frecuencia de resonancia.

Una vez que se identifica la frecuencia de resonancia, es hora de configurar el circuito integrado de puente completo con esta frecuencia de resonancia seleccionando adecuadamente los componentes de sincronización Rt y Ct. Esto se puede hacer mediante ensayo y error mediante medidas prácticas o mediante la siguiente fórmula:

La siguiente fórmula se puede utilizar para calcular los valores de Rt / Ct:

f = 1 / 1.453 x Rt x Ct donde Rt está en ohmios y Ct en faradios.

Usando resonancia en serie

El concepto de calentador de inducción discutido en esta publicación utiliza un circuito resonante en serie.

Cuando se emplea un circuito LC resonante en serie, tenemos un inductor (L) y un capacitor (C) conectados en serie, como se muestra en el siguiente diagrama.

El voltaje total V aplicada a través de la serie LC será la suma del voltaje a través del inductor L y el voltaje a través del capacitor C. La corriente que fluye a través del sistema será igual a la corriente que fluye a través de los componentes L y C.

V = VL + VC

I = IL = IC

La frecuencia del voltaje aplicado afecta las reactancias del inductor y el capacitor. A medida que la frecuencia aumenta de un valor mínimo a un valor más alto, la reactancia inductiva XL del inductor aumentará proporcionalmente, pero XC, que es la reactancia capacitiva, disminuirá.

Sin embargo, mientras se aumenta la frecuencia, habrá una instancia o umbral particular en el que las magnitudes de la reactancia inductiva y la reactancia capacitiva serán simplemente iguales. Esta instancia será el punto resonante de la serie LC, y la frecuencia se puede establecer como frecuencia resonante.

Por lo tanto, en un circuito resonante en serie, la resonancia se producirá cuando

XL = XC

o, ωL = 1 / ωC

donde ω = frecuencia angular.

Evaluar el valor de ω nos da:

ω = ωo = 1 / √ LC, que se define como la frecuencia angular resonante.

Sustituyendo esto en la ecuación anterior y también convirtiendo la frecuencia angular (en radianes por segundo) en frecuencia (Hz), finalmente obtenemos:

fo = ωo / 2π = 1 / 2π√ LC

fo = 1 / 2π√ LC

Cálculo del tamaño del cable para la bobina de trabajo del calentador de inducción

Una vez que haya calculado los valores optimizados de L y C para el circuito del tanque del calentador de inducción y evaluado la frecuencia compatible exacta para el circuito del controlador, es hora de calcular y fijar la capacidad de manejo de corriente de la bobina de trabajo y el capacitor.

Dado que la corriente involucrada dentro de un diseño de calentador de inducción podría ser sustancialmente grande, este parámetro no se puede ignorar y debe asignarse correctamente al circuito LC.

El uso de fórmulas para calcular los tamaños de cable para un tamaño de cable de inducción puede ser un poco difícil, especialmente para los recién llegados, y es exactamente por eso que se ha habilitado un software especial para el mismo en este sitio, que cualquier aficionado interesado puede usar para dimensione el cable del tamaño correcto para su circuito de placa de inducción.




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