Como projetar um circuito de aquecimento por indução

O artigo explica um tutorial passo a passo sobre como projetar seu próprio circuito de aquecedor de indução básico caseiro, que também pode ser usado como um cooktop de indução.

Conceito básico de aquecedor por indução

Você pode ter encontrado muitos circuitos de aquecedor por indução DIY online, mas ninguém parece ter abordado o segredo crucial por trás da implementação de um projeto de aquecedor por indução perfeito e bem-sucedido. Antes de conhecer este segredo, é importante conhecer o conceito básico de funcionamento de um aquecedor por indução.

Um aquecedor por indução é, na verdade, uma forma extremamente 'ineficiente' de transformador elétrico, e essa ineficiência se torna sua principal vantagem.

Sabemos que em um transformador elétrico o núcleo precisa ser compatível com a frequência induzida, e quando há incompatibilidade entre a frequência e o material do núcleo em um transformador, isso resulta na geração de calor.

Fundamentalmente, um transformador com núcleo de ferro exigirá uma faixa inferior de frequência em torno de 50 a 100 Hz e, à medida que essa frequência é aumentada, o núcleo pode apresentar uma tendência de ficar mais quente proporcionalmente. Isso implica que, se a frequência for aumentada para um nível muito mais alto, pode ser superior a 100 kHz, resultando na geração de calor extremo dentro do núcleo.

Sim, é exatamente isso que acontece com um sistema de aquecimento por indução em que o cooktop atua como o núcleo e, portanto, é feito de material de ferro. E a bobina de indução é submetida a uma alta frequência, o que resulta na geração de uma quantidade proporcionalmente intensa de calor no vaso. Uma vez que a frequência é otimizada em um nível significativamente alto, garante o máximo calor possível no metal.

Agora vamos prosseguir e aprender os aspectos importantes que podem ser necessários para projetar um circuito de aquecedor por indução bem-sucedido e tecnicamente correto. Os seguintes detalhes irão explicar isso:

O que você vai precisar

As duas coisas básicas necessárias para construir qualquer panela de indução são:

1) Uma bobina bifilar.

2) Um circuito gerador de frequência ajustável

Já discuti alguns circuitos do aquecedor de indução neste site, você pode lê-los abaixo:

Circuito Aquecedor por Indução Solar

Circuito do aquecedor de indução usando IGBT

Circuito de aquecedor de indução simples - Circuito de fogão de placa quente

Circuito de aquecedor de pequena indução para projeto escolar

Todos os links acima têm as duas coisas acima em comum, ou seja, eles têm uma bobina de trabalho e um estágio de oscilador driver.

Projetando a Bobina de Trabalho

Para projetar uma panela de indução, a bobina de trabalho deve ser plana por natureza, portanto, deve ser do tipo bifilar com sua configuração, conforme mostrado abaixo:

O projeto de tipo de bobina bifilar mostrado acima pode ser implementado com eficácia para fazer seus utensílios de cozinha de indução caseiros.

Para uma resposta ideal e baixa geração de calor dentro da bobina, certifique-se de que o fio da bobina bifilar seja feito com muitos fios finos de cobre em vez de um único fio sólido.

Assim, esta se torna a bobina de trabalho da panela, agora as extremidades desta bobina simplesmente precisam ser integradas com um capacitor correspondente e uma rede de driver de frequência compatível, conforme mostrado na figura a seguir:

Projetando o circuito do driver ressonante da série H-Bridge

Até agora, as informações devem ter esclarecido você sobre como configurar uma panela de indução simples ou um design de fogão de indução, no entanto, a parte mais crítica do design é como ressonar a rede do capacitor de bobina (o circuito do tanque) na faixa mais ideal para que o circuito funciona no nível mais eficiente.

Habilitar o circuito da bobina / tanque do capacitor (circuito LC) para operar em seu nível de ressonância requer que a indutância da bobina e a capacitância do capacitor sejam combinadas perfeitamente.

Isso só pode acontecer quando as reatâncias de ambas as contrapartes são idênticas, ou seja, a reatância da bobina (indutor) e do capacitor são aproximadamente iguais.

Uma vez que isso seja consertado, você pode esperar que o circuito tanque opere em sua frequência natural e a rede LC atingindo o ponto de ressonância. Isso é chamado de circuito LC perfeitamente sintonizado.

Isso conclui os procedimentos básicos de projeto do circuito do aquecedor de indução

Você pode estar se perguntando sobre o que é ressonância de um circuito LC. ?? E como isso pode ser calculado rapidamente para concluir um projeto específico de aquecedor por indução? Discutiremos isso de forma abrangente nas seções seguintes.

Os parágrafos acima explicaram os segredos fundamentais por trás do desenvolvimento de um fogão de indução de baixo custo, mas eficaz em casa. Nas descrições a seguir, veremos como isso pode ser implementado calculando especificamente seus parâmetros cruciais, como a ressonância de seu circuito LC sintonizado e a dimensão correta de o fio da bobina para garantir uma capacidade ideal de manuseio de corrente.

O que é ressonância no circuito LC do aquecedor por indução

Quando o capacitor dentro de um circuito LC sintonizado é momentaneamente carregado, o capacitor tenta descarregar e despejar a carga acumulada na bobina, a bobina aceita a carga e armazena a carga na forma de campo magnético. Mas assim que o capacitor descarrega no processo, a bobina desenvolve uma quantidade quase equivalente de carga na forma de campo magnético e agora tenta forçá-la de volta para dentro do capacitor, embora com polaridade oposta.

Cortesia de imagem:

Wikipedia

O capacitor é novamente forçado a carregar, mas desta vez na direção oposta, e assim que estiver totalmente carregado, mais uma vez tenta se esvaziar através da bobina, e isso resulta em um compartilhamento de carga para frente e para trás na forma de um oscilante atual na rede LC.

A frequência desta corrente oscilante torna-se a frequência de ressonância do circuito LC sintonizado.

No entanto, devido a perdas inerentes, as oscilações acima eventualmente morrem com o tempo, e a frequência, a carga chega ao fim depois de algum tempo.

Mas se a frequência for mantida por meio de uma entrada de frequência externa, sintonizada no mesmo nível de ressonância, isso pode garantir um efeito de ressonância permanente sendo induzido através do circuito LC.

Na frequência de ressonância, podemos esperar que a amplitude da tensão oscilante no circuito LC esteja no nível máximo, resultando na indução mais eficiente.

Portanto, podemos sugerir que, para implementar uma ressonância perfeita dentro de uma rede LC para um projeto de aquecedor de indução, precisamos garantir os seguintes parâmetros cruciais:

1) Um circuito LC sintonizado

2) E uma frequência correspondente para sustentar a ressonância do circuito LC.

Isso pode ser calculado usando a seguinte fórmula simples:

F = 1 ÷ 2π x √LC

onde L está em Henry e C está em Farad

Se você não quiser se preocupar em calcular a ressonância do tanque LC da bobina por meio da fórmula, uma opção muito mais simples poderia ser usar o seguinte software:

Calculadora de frequência ressonante LC

Ou você também pode construir este Medidor de mergulho de grade para identificar e definir a frequência de ressonância.

Assim que a frequência de ressonância for identificada, é hora de definir o IC de ponte completa com essa frequência de ressonância, selecionando adequadamente os componentes de tempo Rt e Ct. Isso pode ser feito por tentativa e erro por meio de medições práticas, ou por meio da seguinte fórmula:

A seguinte fórmula pode ser usada para calcular os valores de Rt / Ct:

f = 1 / 1,453 x Rt x Ct onde Rt está em Ohms e Ct em Farads.

Usando a série de ressonância

O conceito de aquecedor por indução discutido neste artigo usa um circuito ressonante em série.

Quando um circuito LC ressonante em série é empregado, temos o indutor an (L) e um capacitor (C) conectados em série, conforme mostrado no diagrama a seguir.

A tensão total V aplicada na série LC será a soma da tensão no indutor L e da tensão no capacitor C. A corrente que flui pelo sistema será igual à corrente que flui pelos componentes L e C.

V = VL + VC

I = IL = IC

A frequência da tensão aplicada afeta as reatâncias do indutor e do capacitor. Conforme a frequência é aumentada de um valor mínimo para um valor mais alto, a reatância indutiva XL do indutor aumentará proporcionalmente, mas XC, que é a reatância capacitiva, diminuirá.

No entanto, enquanto a frequência está sendo aumentada, haverá um caso particular ou limite em que as magnitudes da reatância indutiva e da reatância capacitiva serão exatamente iguais. Esta instância será o ponto ressonante da série LC, e a frequência pode ser definida como a frequência ressonante.

Portanto, em um circuito ressonante em série, a ressonância ocorrerá quando

XL = XC

ou, ωL = 1 / ωC

onde ω = frequência angular.

Avaliar o valor de ω nos dá:

ω = ωo = 1 / √ LC, que é definido como a frequência angular ressonante.

Substituindo isso na equação anterior e também convertendo a frequência angular (em radianos por segundo) em frequência (Hz), finalmente obtemos:

fo = ωo / 2π = 1 / 2π√ LC

fo = 1 / 2π√ LC

Cálculo do tamanho do fio para bobina de trabalho do aquecedor de indução

Depois de calcular os valores otimizados de L e C para o circuito do tanque do aquecedor de indução e avaliar a frequência compatível exata para o circuito do driver, é hora de calcular e fixar a capacidade de manipulação de corrente da bobina de trabalho e do capacitor.

Como a corrente envolvida em um projeto de aquecedor de indução pode ser substancialmente grande, este parâmetro não pode ser ignorado e deve ser atribuído corretamente ao circuito LC.

Usar fórmulas para calcular tamanhos de fio para um tamanho de fio de indução pode ser um pouco difícil, especialmente para os novatos, e é exatamente por isso que um software especial para o mesmo foi habilitado neste site, que qualquer aquarista interessado pode usar para dimensione o fio do tamanho certo para o seu circuito cooktop de indução.