Bobina de Induccion

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Realizacion de una bobina de induccion

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UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS ESPEEXTENSIN LATACUNGA

CARRERA DE INGENIERA ELECTROMECNICA

Simulacin y paper amigable de una bobina de induccin para calentamiento, por falta de conocimiento sobre la induccin electromagntica debido al anuncio del presidente de la repblica sobre la implementacin de las cocinas de induccin, en la ciudad de Latacunga barrio San Sebastin.

FABARA VARGAS GALO ARTURO

LATACUNGA, MAYO 201415

RESUMEN

Las bobinas de induccin correctamente diseadas, fabricadas y reparadas son esenciales para la eficacia global de las soluciones de calentamiento por induccin. La induccin es un mtodo de calentamiento sin contacto ni llama que puede poner al rojo vivo en segundos una seccin determinada de una barra metlica con gran precisin. Cmo es esto posible?Mediante una corriente alterna que fluye a travs de una bobina, se genera un campo magntico. La fuerza del campo vara en funcin de la frecuencia aplicada a la alternancia que pasa a travs de la bobina. El campo se concentra en el rea contorneada por la bobina; mientras que su magnitud depende de la fuerza de la corriente y el nmero de espiras en la bobina. Las corrientes de Foucault son inducidas en cualquier objeto conductor de electricidad, por ejemplo una barra de metal, colocada dentro de la bobina. El fenmeno de resistencia genera calor en el rea donde fluyen las corrientes de Foucault. Si se incrementa la fuerza del campo magntico, tambin se incrementar el efecto de calentamiento. Sin embargo, el efecto total de calentamiento tambin est influenciado por las propiedades magnticas del objeto y la distancia entre esta y la bobina.

ABSTRACT

The induction coils properly designed, manufactured and repaired are essential to the overall efficiency of the induction heating solutions.Induction is a method of non-contact heating or flame can put red hot in seconds a given section of a metal bar with great precision. How is this possible?By an alternating current flowing through a coil, a magnetic field is generated. Field strength varies with the applied frequency of the alternating passing through the coil. The field is concentrated in the area outlined by the coil; while its magnitude depends on the strength of current and the number of turns in the coil.Eddy currents are induced in any electrical conducting object, for example a metal rod, inserted into the coil. The phenomenon of resistance generates heat in the area where the eddy flow . If the magnetic field strength is increased, the heating effect is also increased. However, the total heating effect is also influenced by the magnetic properties of the object and the distance between this and the coil.

ContenidoRESUMENIABSTRACTIICAPTULO IVIIGENERALIDADESVII1.1INTRODUCCINVII1.2OBJETIVOS GENERALES Y ESPECFICOSVIIIOBJETIVO GENERALVIIIOBJETIVOS ESPECIFICOSVIIICAPITULO IIIX2.1UN CAMPO MAGNTICO INDUCE CORRIENTE ELCTRICAIX2.2.1Propiedades de la fuerza magnticaIX2.3Ley de ampereXI2.4INDUCCIN MAGNTICAXI2.4.1Ley de FaradayXI2.4.2Ley de LenzXII2.4.3Corrientes de EddyXII2.4.4Ecuaciones de Maxwell1XII2.5Flujo magnticoXIII2.6PRINCIPIO DE CALENTAMIENTO POR INDUCCIN.XIV2.7APLICACIONES DEL CALENTAMIENTO POR INDUCCINXV2.8 CARACTERISTICAS DEL CALENTAMIENTO POR INDUCCIONXVI3CAPITULO IIIXVII3.1Mtodo deductivoXVII3.2Mtodo de anlisisXVII3.3Mtodo de sntesisXVII3.4Mtodo dialctico.XVII3.5Histrico lgico.XVIII3.6Mtodo estadsticoXVIII4CAPITULO IVXIX4.1CONCLUSIONESXIX4.2RECOMENDACIONESXX4.5RESULTADOSXXBIBLIOGRAFAXX

Ilustracin 1 Fuerza de campo magnticoXIlustracin 2 Voltaje generado por induccinXIIlustracin 3 Flujo magntico.XIVIlustracin 4 Principio del calentamiento por induccinXIVIlustracin 5 Fenmeno de induccinXV

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Se observa que la poblacin ecuatoriana en su mayora desconoce sobre el principio de induccin electromagntica. Esto nos permite inferir que la elaboracin de un documento informativo (paper) ayudar a despejar las dudas de las personas sobre el tema de induccin.

IMPORTANCIA Y JUSTIFICACINAl no tener un buen conocimiento del proyecto que se plantea en nuestro pas sobre la implementacin de las cocinas de induccin y como es el principio de funcionamiento, lo que se quiere lograr es explicar el principio de funcionamiento de induccin electromagntica mediante la simulacin de la bobina de induccin para calentamiento.

Mediante este documento de aporte en este caso un paper se garantizar una pauta para que la poblacin tenga una idea de cmo es el funcionamiento de las cocinas de induccin que se estn implementando.

HIPOTESISEs posible que se reduzca en un 25% la falta de desconocimiento de la poblacin del principio de induccin electromagntica aplicado a las cocinas de induccin, mediante la simulacin de la bobina de induccin y la creacin del paper amigable

ALCANCE

Con este proyecto de diseo y construccin de la bobina de induccin verificaremos como es el principio de induccin y dejaremos en claro a todos los compaeros de proyecto integrador III cmo se calienta el metal mediante el principio de funcionamiento antes mencionado.

OBJETIVO GENERAL Disear y construir una bobina de induccin para explicar su funcionamiento.OBJETIVOS ESPECIFICOS Obtener el material para ser calentado. Realizar clculos para la construccin de la bobina. Analizar los efectos de la bobina de induccin. Explicar el funcionamiento de induccin de la bobina.

CAPTULO IGENERALIDADESINTRODUCCINLas bobinas de induccin correctamente diseadas, fabricadas y reparadas son esenciales para la eficacia global de las soluciones de calentamiento por induccin. La induccin es un mtodo de calentamiento sin contacto ni llama que puede poner al rojo vivo en segundos una seccin determinada de una barra metlica con gran precisin. Cmo es esto posible?Mediante una corriente alterna que fluye a travs de una bobina, se genera un campo magntico. La fuerza del campo vara en funcin de la frecuencia aplicada a la alternancia que pasa a travs de la bobina. El campo se concentra en el rea contorneada por la bobina; mientras que su magnitud depende de la fuerza de la corriente y el nmero de espiras en la bobina. Las corrientes de Foucault son inducidas en cualquier objeto conductor de electricidad, por ejemplo una barra de metal, colocada dentro de la bobina. El fenmeno de resistencia genera calor en el rea donde fluyen las corrientes de Foucault. Si se incrementa la fuerza del campo magntico, tambin se incrementar el efecto de calentamiento. Sin embargo, el efecto total de calentamiento tambin est influenciado por las propiedades magnticas del objeto y la distancia entre esta y la bobina.

OBJETIVOS GENERALES Y ESPECFICOSOBJETIVO GENERAL Disear y construir una bobina de induccin para explicar su funcionamiento. OBJETIVOS ESPECIFICOS Obtener el material para ser calentado. Realizar clculos para la construccin de la bobina. Analizar los efectos de la bobina de induccin. Explicar el funcionamiento de induccin de la bobina.

CAPITULO IIHISTORIA DEL ARTE1 UN CAMPO MAGNTICO INDUCE CORRIENTE ELCTRICAEl descubrimiento de que una corriente elctrica originaba un campo magntico fue crucial para el desarrollo de la fsica y la tecnologa. Surgi entonces la pregunta: se podra producir electricidad a partir del magnetismo? En aquella poca, principios del siglo XIX, los nicos dispositivos que existan para generar corriente eran las celdas voltaicas, que proporcionaban corrientes pequeas gracias a la disolucin en cido de metales costosos; las celdas voltaicas son las precursoras de nuestras modernas bateras.En 1831 el ingls Michael Faraday y el norteamericano Joseph Henry, casi simultneamente y trabajando de forma independiente, descubrieron la llamada induccin electromagntica, la generacin de corriente elctrica inducida por un campo magntico variable, base del desarrollo de toda la industria elctrica actual. Pero adems fue el punto de partida del desarrollo de una concepcin unitaria de la electricidad y el magnetismo que llevara a cambiar radicalmente nuestra concepcin de la naturaleza. DEFINICION DEL CAMPO MAGNETICOUn campo magntico es una descripcin matemtica de la influencia magntica de las corrientes elctricas y de los materiales magnticos. El campo magntico en cualquier punto est especificado por dos valores, la direccin y la magnitud; de tal forma que es un campo vectorial. Especficamente, el campo magntico es un vector axial, como lo son los momentos mecnicos y los campos rotacionales.Propiedades de la fuerza magnticaa) La fuerza magntica es proporcional a la carga q y a velocidad v de la partcula.b) La magnitud y la direccin de la fuerza magntica depende de la velocidad de la partcula y de la magnitud y direccin del campo magntico.c) Cuando una partcula se mueve en direccin paralela al vector campo magntico, la fuerza magntica F sobre la carga es cero.d) Cuando la velocidad hace un ngulo con el campo magntico, al fuerza magntica acta en una direccin perpendicular tanto a v como a B, es decir, F es perpendicular al plano formado por v y B.e) La fuerza magntica sobre una carga positiva tiene sentido opuesto a la misma fuerza que acta sobre una carga negativa que se mueve en la misma direccin.

Si el vector velocidad hace un ngulo con el campo magntico, la magnitud de la fuerza magntica es proporcional al sen .De las propiedades descritas se puede escribir la siguiente frmula para la fuerza magntica

La direccin de B es congruente con la regla de la mano derecha

Ilustracin 1 Fuerza de campo magntico

La unidad del campo magntico en el SI es el Webber por metro cuadrado (Wb/m^2), tambin llamado Tesla (T). Se puede interpretar y relacionar con las unidades fundamentales a la unidad del campo magnetico de la siguiente forma.

Ley de ampereLa ley de ampere establece que la integral de lnea de B.ds alrededor de cualquier trayectoria cerrada es igual a U0* I donde I es la corriente estable total que pasa a travs de cualquier superficie ilimitada por la trayectoria cerrada.[footnoteRef:1] [1: Salazar Fernando, 2010, Estudio tcnico- comparativo del ingreso de cocinas de induccin, Tesis de grado Ing. Mecnica, EPN.]

Generalizando la ley de ampere tenemos:

INDUCCIN MAGNTICALey de Faraday Alejado o cercano a un imn permanente hacia una espira conectada a un galvanmetro, como se muestra en la figura se tiene que cuando se mueve en una direccin al imn, la aguja del galvanmetro tambin lo hace, si se lo invierte el movimiento del imn la aguja se mueve en la otra direccin.

Ilustracin 2 Voltaje generado por induccinLa fem inducida en un circuito es directamente proporcional a la rapidez de cambio magntico a travs del circuito.[footnoteRef:2] [2: INCROPERA,FRANK; DEWITT, David; Fundamentos de Transferencia de Calor, Prentice Hall; Cuarta edicin; Mxico 2006]

Si el circuito consta de una bobina de N espiras, todas de la misma rea y si el flujo pasa a travs de todas las espiras, la fem inducida est dada por:

Ley de Lenz La direccin de la fem inducida y la corriente inducida se determina mediante la ley de Lenz, la cual dice que la polaridad de la fem inducida produce una corriente elctrica que genera un flujo magntico que se opone al cambio en el flujo magntico a travs de un circuito.Corrientes de EddyCuando se tiene un campo magntico variable, se induce una fem y una corriente en un circuito, en la misma forma corrientes circundantes, llamadas corrientes parasitas, se originan en el metal que es sometido a campo magntico variable.Ecuaciones de MaxwellLa contribucin de James Clerk Maxwell fue reunir en estas ecuaciones los resultados experimentales de varios aos, debidos a: Coulomb, Gauss, Ampere, Faraday y otros; introduciendo los conceptos de campo y corriente de desplazamiento, y unificando los campos elctricos y magnticos en un solo concepto: el campo electromagntico. Las ecuaciones son:Conocida como la ley de Gauss, establece que el flujo elctrico total a travs de cualquier superficie cerrada es igual a la carga neta (Q) dentro de esta superficie dividida entre la constante , esta ley relaciona el campo elctrico con la distribucin de carga, donde las lneas de campo elctrico se origina en la cargas positivas y terminan en las cargas negativas.

Conocida como la ley de Gauss del magnetismo, establece que el flujo magntico total a travs de una superficie cerrada es cero, es decir las lneas de campo magntico no puede empezar o terminar en ningn punto.

La ley de induccin de Faraday, la cual describe la relacin entre un campo elctrico y un flujo magntico variable. La ley que la integral de lnea de campo elctrico alrededor de cualquier trayectoria cerrada es igual a la razn de variacin de flujo magntico a travs de cualquier rea superficial limitada por su trayectoria.

La ley d ampere, la cual describe la relacin entre los campos elctricos y magnticos y las corrientes elctricas. La ley enuncia que la integral de lnea del campo magntico alrededor de cualquier trayectoria cerrada se determina mediante la suma de la corriente de conduccin total a travs de la razn de la trayectoria y la razn de la variacin del flujo elctrico a travs de cualquier superficie limitada por esa trayectoria.

Flujo magnticoPara describir el flujo magntico se considera un elemento de rea Da sobre una superficie de forma arbitraria como se muestra en la figura si el campo magntico de este elemento es B, entonces el flujo magntico a travs del mismo es B Da, donde Da es el vector perpendicular a la superficie cuya magnitud es igual a dA.

Ilustracin 3 Flujo magntico.

Por lo tanto, el flujo magntico total a travs de toda la superficie esta dado por:

PRINCIPIO DE CALENTAMIENTO POR INDUCCIN.El calentamiento por induccin es una aplicacin muy directa de la combinacin de las leyes del magnetismo (ley de Faraday y Ampere) y del efecto Joule.

Ilustracin 4 Principio del calentamiento por induccin

El calentamiento se basa en las leyes de la induccin magntica (ley de Faraday y ley de Ampere) en combinacin del efecto Joule.[footnoteRef:3] [3: GOMEZ, Esteve; Tesis doctoral1999. Influencia de los componentes parsitos en el anlisis y diseo de inversiones resonantes paralelo para aplicaciones de calentamiento por induccin, universidad de valencia.]

Dnde:N es el nmero de espiras del inductorI es la corriente que lo atraviesaH es el campo magnticoL es la longitud del crculo.El calentamiento se produce por la corrientes inducidas de Foucault o de Eddy, las cuales disipan energa en forma de calor como se establece en la ley de Faraday.

Ilustracin 5 Fenmeno de induccin APLICACIONES DEL CALENTAMIENTO POR INDUCCINEn el proceso de transformacin de la energa potencial de un fluido en energa cintica o viceversa, se emplean diferentes tipos de mquinas, que pueden clasificarse de la siguiente manera: Tratamientos trmicos Forja Fusin Soldadura Cocinas de induccin

2.8 CARACTERISTICAS DEL CALENTAMIENTO POR INDUCCION La eficiencia energtica y termina del proceso de calentamiento por induccin dependen principalmente de dos caractersticas. El efecto piel que caracteriza la distribucin de las corrientes inducidas en la pieza. Al aumentar la penetracin del campo magntico, disminuye su intensidad y por ende las corrientes inducidas. La potencia disipada en la pieza caracteriza el rendimiento del fenmeno elctrico.Los parmetros ms importantes que intervienen en el proceso de calentamiento por induccin son: La frecuencia de la corriente La naturaleza del material a calentar y su estado La intensidad del campo magntico inductor El acoplamiento entre inductor y pieza a calentar El tipo de inductor y sus caractersticas geomtricas La naturaleza del material conductor del inductor.

2 CAPITULO IIIMETODOLOGIA DE LA INVESTIGACIONMtodo deductivoEn el avance de la presente investigacin se trabajar en base a los resultados obtenidos de fuentes como CONELEC, CENACE, etc. Y realizando el estudio respectivo en el sector donde se quiere implementar esta nueva tcnica de generacin. Mtodo de anlisisA travs de la aplicacin del presente mtodo; se podr obtener un esclarecimiento de los aspectos especficos que producen problemas en el rea de sectores que no cuentan con servicio elctrico de tal manera identificar la causa y efectos.

Mtodo de sntesisCon la ayuda de este mtodo partiremos de lo ms simple a lo ms complejo, de la causa del analizar la generacin elica en casas particulares y de esa manera ver el costo beneficio de la misma.

Mtodo dialctico.El mtodo dialctico se considera como fenmenos histricos y sociales en continuo cambio de tal manera que se aplicar concibiendo y mirando el desarrollo de la eficiencia y eficacia de las actividades relacionadas al estudio sobre la sociedad.

Histrico lgico.Mediante este mtodo se obtendr datos que respalden la informacin preliminar del objeto de estudio conociendo acerca de calidad de energa elctrica.

Mtodo estadsticoPara la investigacin hacer desarrollada nos valdremos de la estadstica descriptiva ya que organiza, resume los datos; en donde nos permitir a travs de cuadros, tablas de frecuencia, porcentajes, media aritmtica, interpretar los resultados obtenidos.

3 CAPITULO IVRESULTADOS3. 4. 4.1 CONCLUSIONES Se simul y reprodujo el fenmeno de calentamiento inductivo en atmsfera inerte, observando y controlando las variables involucradas en el proceso de diseo y en los aspectos fsicos y qumicos presentes en el sistema. Los aspectos considerados con mayor importancia fueron la dispersin del flujo magntico y la eficiencia en la transferencia de energa. La elaboracin de la bobina de induccin ser un elemento muy importante mediante el cual se explic como es el principio de funcionamiento de la cocina de induccin.

4.2 RECOMENDACIONES

Realizar capacitaciones tcnicas acerca de cmo es el funcionamiento de las cocinas de induccin a los beneficiarios mediante la simulacin previa. Realizar pruebas previas sobre el funcionamiento de una cocina de induccin mediante un ejemplo prctico. Informarse antes de adquirir una cocina de induccin de cules son las ventajas y desventajas tanto en el consumo de energa y en la alimentacin

4.3 4.4 4.5 RESULTADOSLuego de haber constatado que no existe una previa simulacin de una cocina de induccin se ha comprobado que una bobina de induccin es el material didctico que se presenta y se construy con el fin de que sea didctica su explicacin del principio de induccin electromagntica despejando as las dudas de las personas que desconoces del tema.

BIBLIOGRAFA

[1] Salazar Fernando, 2010, Estudio tcnico- comparativo del ingreso de cocinas de induccin, Tesis de grado Ing. Mecnica, EPN. [2]SERWAY, Raymond, Electricidad y magnetismo, Mc Graw Hill, Tercera Edicin USA, 1995, pg. 205-260[3]INCROPERA, FRANK; DEWITT, David; Fundamentos de Transferencia de Calor, Prentice Hall; Cuarta edicin; Mxico 2006[4]Hernndez Jorge, Duque Edison, CEKIT S.A Curso fcil de electrnica moderna, Componentes y teora de circuitos, 1999.[5]GOMEZ, Esteve; Tesis doctoral1999. Influencia de los componentes parsitos en el anlisis y diseo de inversiones resonantes paralelo para aplicaciones de calentamiento por induccin, universidad de valencia.[6]Alberto Tama Franco,2013, Asesor de Gerencia General de la Corporacin Elctrica del Ecuador, cocinas de induccin versus cocinas a gas(GLP). Pg. 1.Obtenidad 16-12-2012 desde: http://www.slideshare.net/albertama/cocina-de-induccin-versus-cocina-a-gas-glp

[7] Generacin elctrica, demanda elctrica, 2012, CONELEC-Ecuador, obtenida: 15-12.2013 desde la direccin: www.conelec.gob.ec

[8] Proyectos de eficiencia energtica, 2013, MEER, pg. 3 obtenida: 15-12.2013 desde la direccin: http://www.energia.gob.ec/eficiencia-energetica-sector-residencial/

[9]Jorge Patricio Muoz; 2013. Anlisis de la incidencia del uso de cocinas elctricas de induccin; rendimiento de calidad energtica; pg. 6, obtenido: 16-12-2013 desde la direccin: http://www.monografias.com/trabajos96/analisis-incidencia-del-uso-cocinas-electricas-induccion/analisis-[10] Proyectos de eficiencia energtica, 2013, MEER, pg. 5 obtenida: 15-12.2013 desde la direccin: http://www.energia.gob.ec/eficiencia-energetica-sector-residencial/