Horno de Induccion Electromagnetica

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  Ingeniería Física ± Universidad Nacional de Colombia Sede Medellín 1 HORNO DE INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA Reporte Final. LUIS F. LÓPEZ Universidad Nacional de Colombia- Sede Medellín luflopezme@unal.edu.co RESUMEN ± Los hornos de inducción electromagnética, se basan el fenómeno de la inducción electromagnética donde la orientación de un campo magnético variable en el tiempo, da lugar una inducción de corrientes alternas en el material (conductor) sometido a este, que generan un efecto joule en
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  Ingeniería Física ± Universidad Nacional de Colombia Sede Medellín 1 HORNO DE INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA   Reporte Final.  LUIS F. LÓPEZ Universidad Nacional de Colombia- Sede Medellínluflopezme@unal.edu.co RESUMEN ± Los hornos de inducción electromagnética, se basan el fenómeno de la inducción electromagnética donde laorientación de un campo magnético variable en el tiempo, da lugar una inducción de corrientes alternas en el material(conductor) sometido a este, que generan un efecto joule en el material, aumentando considerablemente su temperatura.PALABRAS CLAVE ± Efecto Piel, Ley de Faraday-Lenz, Efecto Joule, Corrientes de Eddy.MOTIVACIÓN ±     B asando en las características de los fenómenos físicosinvolucrados en la inducción electromagnética y apoyadoen las prácticas experimentales, plantear y desarrollar unequipo de inducción electromagnética, capaz de lograr unaumento considerable de temperatura, en la superficie deun material conductor de geometría cilíndrica, para asílograr tratamientos térmicos de una forma más controlada,limpia y eficiente. Ya que no se usan combustibles fósilesni se pierde energía por combustión. FUNDAMENTO TEÓRICO ±    El calentamiento por inducción se basa en la aplicación de las leyes de Ampere,Faraday-Lenz y una consecuencia de la disipación de potencia por efecto Joule, en primer lugar se debe conectar una fuente dealta tensión, para impulsar una gran corriente alterna a través deuna bobina. Figura 1. Esquema de calentamiento por Inducciónelectromagnética. El paso de la corriente a través de esta, genera un campomagnético intenso y cambiante en el espacio, cuya distribuciónsegún la ley de Ampere viene dada por:     ( 1) Donde  es la corriente que circula por el inductor,  el númerode espiras,  la longitud y  la intensidad del campo magnético.Este campo variable según la ley de Inducción de Faraday-Lenz, produce una fuerza electromotriz dada por la ecuación (2 ),donde  es la fem inducida en el material conductor dentro delinductor,  el número de espiras y  el flujo magnético.       (2 ) Esta fem genera un flujo de corrientes inducidas   en elmaterial conductor, conocidas como corrientes de Foucault oEddy, que son las responsables del calentamiento, por efectoJoule consistentes con la ecuación (3 ); [1] , donde  es la potenciaefectiva disipada por el material, en la cual se induce una fem  .         (3 )  El tramo de resistencia donde actuaran las corrientes inducidas,depende tanto de la resistencia propia del material conductor como del efecto Piel o efecto Kelvin, que surge comoconsecuencia del efecto de difusión del campo magnético, que agrandes rasgos, es la noción que rige el calentamiento por inducción.Dicho efecto Piel es determinado por una profundidad de penetración  la cual se mide desde el exterior de la pieza haciasu centro, donde para un material conductor de geometríacilíndrica, su expresión está dada por la ecuación (4 ), [ 2 ].          (4 ) Dependiente de la frecuencia   , permeabilidad magnética delvacio   , permeabilidad magnética relativa del material   y   la resistividad del material. De la cual se puede notar, que afrecuencias altas del orden de los KHz y materiales donde setenga una permeabilidad magnética muy alta, ocurrirá unamayor densidad de corriente en la periferia que en el centro, acausa de la poca penetración del campo magnético, en cambio para materiales con una resistividad muy alta se tendrá mayor  penetración.En dicha zona, se tendrá un 87% de la potencia total disipadadebida a un 6 3 % de la densidad total de corriente inducida,como consecuencia de esto se puede decir que el efectocalorífico se concentrara en esta zona. Con base en esto y enmiras a nuestro objetivo se utilizaran altas frecuencias, para queasí la potencia disipada se concentre en gran medida en lasuperficie del material una profundidad  , lo cual nos conducea la necesidad de obtener una expresión para la corrienteinducida. Esta expresión puede ser determinada utilizando lasecuaciones de Maxwell que resumen las leyes fundamentales delelectromagnetismo, partiendo de la expresión para el valor de laamplitud del campo magnético, ecuación ( 1). El cálculo para lafem inducida  , se puede obtener utilizando la ecuación (2 ),  Ingeniería Física ± Universidad Nacional de Colombia Sede Medellín 2   donde el flujo  del campo magnético que atraviesa un área    producido por el inductor será:      …‘•      (2 .1) Si se tiene que la forma funcional de la corriente,  es de laforma:     •‹    (2 . 2 )   El flujo magnético resultante tomando en cuenta las permeabilidades magnéticas en el núcleo, correspondientes alaire y al material conductor a calentar de una geometríacilíndrica, será entonces:             •‹     (2 . 3 )  Así, la fem inducida en el material sometido al campo delinductor será:               …‘•     (2 . 4 )   Esta fem es la que pone en movimiento a los portadores decarga, contenidos en el volumen de capa cilíndrica de longitud  comprendida entre   y  . Originando unacorriente:         (2 .5) Siendo   la resistencia del cilindro de longitud  y desección  por la que circularan las corrientes de Foucault   . Figura 2. Esquema de las corrientes de Foucault.  Tomando el valor de la corriente efectiva, con base en lasexpresiones anteriores e integrando entre   y  , tomando elsrcen en  y     , se puede calcular la magnitud de la potencia que se disipara en el material, ecuación ( 5).                 ( 5)   MONTAJE EXPERIMENTAL ±  Para lograr nuestro objetivo,es crucial el trabajar con altas frecuencias, por lo que nosapoyaremos en un B alastro de Potencia Electrónico, obtenido deuna lámpara fluorescente compacta ( CFL) ahorradoraSYLVANIA MINI-LYNX TS001 de 2 5W. Dicho balastroelectrónico es un dispositivo diseñado para operar las lámparasfluorescentes, proporcionando el voltaje requerido para elarranque y operación de la lámpara. Estos están compuestos degrupos de componentes electrónicos que convierten el voltajeAC a DC, pasando por un conversor el cual funciona comocorrector del factor de potencia, el cual si es alto indicara que lamayor parte de la energía que recibe el dispositivo eléctrico esaprovechada para efectuar su función, luego pasa por una etapainversora que aumenta la frecuencia de salida [ 3 ]. Figura 3. Etapas de un balastro electrónico.  Experimentalmente se encontró, que es crucial la conexión de lalámpara fluorescente al balastro electrónico, para el uso delmismo, ya que se necesita crear la ionización del gas con elvoltaje de arranque, y luego la posterior regulación de lacorriente que circula en el circuito. Se realizo el siguientemontaje con una lámpara fluorescente de 3 0W ( ver figura 4 ),donde se utilizo una bobina que debía tener una impedancia muy baja, para que la corriente en el circuito fuera la mayor posible,ya que la impedancia de la lámpara fue estipulada por elfabricante, para que el balastro entregara su máxima corriente, alconectar el inductor aumentara la impedancia total de sistema y por consecuente la corriente en el circuito decrecerá. Figura 4. Montaje experimental.  En el caso donde la única carga para el balastro es la lámpara seobtiene un voltaje efectivo en las terminales de la lámpara de1 4 5   , una corriente efectiva de  , y una frecuencia deoperación de      . Apoyados por la ley de Ohm paraAC, ecuación ( 6). Donde    y    .          ( 6)   Lo cual nos indica que la impedancia de la lámpara debe ser de        , si la impedancia del circuito aumenta lacorriente por el circuito decrece ya que son inversamente proporcionales, en base a esto utilizaremos una bobina dealambre de cobre, con muy baja impedancia. La impedancia deuna bobina real está dada por:         ( 6.1) 60Hz1 2 0V   A B   B alastro L  á m p a r  a  L               Ingeniería Física ± Universidad Nacional de Colombia Sede Medellín 3   Donde  es la resistencia del alambre y    la reactanciainductiva dada por:           ( 6. 2 )   Donde   es la frecuencia,   la permeabilidad magnética delvacío,  el número de espiras,  la longitud del inductor y   elárea transversal de la bobina.La bobina a utilizarse tiene los siguientes parámetros:Parámetro      (          ( m)  ( mm)Magnitud 198 2 ,9 4 E-5 0. 4 0 0.01 0.50 Figura 5. Parámetros del inductor.  Así, la impedancia de la bobina es de      , y segúnla AWG [ 4 ], ( Figura 6), es de un calibre comprendido entre el 24 y 2 5, que soporta una corriente máxima de entre  y opera muy bien entre    para la profundidad de la piel, lo cual la hace ideal para nuestromontaje. Figura 6. American Wire Gauge for Copper (AWG). Experimentalmente se obtuvo un voltaje efectivo en lasterminales A- B de la bobina de  , una corriente efectiva de         y una frecuencia de operación de      œ . Con dichos parámetros, se sometieron variosmateriales conductores de geometría cilíndrica de radio exterior     macizos, ( excluyendo al grafito que tiene unradio     ), y perforados formando un casquete con     .Con ayuda de un termistor calibrado según la ecuación ( 7):         ( 7)  Donde       y         y   la resistencia instantáneadel termistor en  , se puede obtener una medida del aumentoen su temperatura. Los resultados en un tiempo    son: Material       (Ÿ                    Aluminio 1            1.76 1. 2 0 0.010 Cobre 1            2 . 4 7 1. 3 6 0.011 Grafito 1     1.69    0.16 0. 32 0.009 Acero 100              8.8 4   2 1.1 3 0.011 Figura 7. Tabla de resultados cilindros macizos.Material       (Ÿ                    Aluminio 1            1. 4 6 1.80 0.009 Acero 500              7.58 24 .07 0.009 Figura 8. Tabla de resultados cilindros perforados.CONCLUSIONES    Los parámetros más importantes que intervienen en el proceso del calentamiento por inducción son:‡ La frecuencia de la corriente‡ La naturaleza del material a calentar.‡ La intensidad de campo magnético inductor.‡ El acoplamiento entre el inductor y la pieza acalentar.‡ El tipo de inductor y sus características geométricas.‡ La naturaleza del material conductor del inductor.    La intensidad del campo magnético alterno que penetra enel material decrece rápidamente al aumentar su penetracióny por lo tanto también las corrientes inducidas.    Se disipa mayor energía cuando se disminuye la profundidad de penetración de las corrientes inducidas.Ello explica que para aumentar la eficacia delcalentamiento por inducción de algunos materiales como elaluminio de bajo valor de resistividad y permeabilidadmagnética, haya que aumentar la frecuencia de la corrientecon el objeto de disminuir  y con ello aumentar la potenciadisipada.    Se puede controlar tanto el calentamiento como la profundidad del mismo, aumentando o decreciendo lafrecuencia de la corriente en el circuito. Ya que de elladependen fuertemente la profundidad de penetración delcampo magnético y la potencia disipada. REFERENCIAS [1] American   Journal of Physics -- Eddy current distributions: Their calculation with a spreadsheet and their measurement with a dualdipole antenna probe, May 1991 -- Volume 59, Issue 5, pp. 4 61- 4 67, Issue Date: May 1991.[ 2 ] Vicente E. Gómez, Universitat de València,  Influencia de losComponentes Parásitos en el Análisis y Diseño de Inversores Resonantes Paralelo para Aplicaciones de Calentamiento por  Inducción ( Tesis Doctoral),   Junio 1999.[ 3 ] Darío A. Martínez, Universidad de las Américas Puebla,  Introducción a los Balastros Electrónicos ( Tesis Profesional),   Diciembre 2 005.[ 4 ] http://www.nfpa.org/asset/files/pdf/AWG_cooper.pdf - 1 2 /11/ 2 010 ± 5:00pm
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