Miércoles, 17 de septiembre de 2014

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Tecnologías electrónicas aplicadas a cocción por inducción


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El calentamiento por inducción se basa en el hecho de que determinados materiales, al ser sometidos a campos electromagnéticos, absorben parte de la energía transformándola en calor. Estos materiales son normalmente metálicos y deben presentar alguna de las siguientes propiedades:

  • Buena conductividad eléctrica, que posibilita la circulación interna de las llamadas corrientes inducidas o de Foucault (también conocidas como “eddy currents”).

  • Ferromagnetismo, gracias al cual se produce el fenómeno de la denominada histéresis magnética.

Ambos fenómenos posibilitan la transformación de la energía del campo electromagnético en calor generado internamente en el material. El campo electromagnético necesario es creado mediante una fuente de corriente de media/alta frecuencia constituida por componentes electrónicos y un sistema inductor.

El calentamiento por inducción se utiliza en numerosos procesos industriales de metales (calentamiento previo a extrusión y forja, fundición, soldadura, etc.).

La aparición de los modernos dispositivos electrónicos semiconductores de potencia (BJTs, MOSFETs e IGBTs) posibilitó el abaratamiento de los sistemas de calentamiento por inducción y la consiguiente introducción en el mercado de consumo. Su aplicación a cocinas de inducción tiene antecedentes en la década de los 70, con desarrollos y patentes en Estados Unidos y Japón. La introducción en Europa se produjo en la década de los 80.

Debido al enorme mercado de la cocción doméstica, la cocción por inducción ha despertado un gran interés como producto sustitutivo de las cocinas de superficie vitrocerámica. Por este motivo, algunos grupos de investigación trabajan en coordinación con compañías de electrodomésticos para la consecución de sistemas más fiables, más económicos, con menores restricciones de uso e instalación y con mayores prestaciones.

A pesar del tiempo transcurrido desde la aparición de las primeras cocinas de inducción, éstas no han tenido una presencia significativa en el mercado. Entre las razones principales cabe destacar el elevado precio inicial (entre dos y tres veces el precio de una cocina convencional) y la consideración de aplicación experimental y todavía no bien asentada que tiene entre muchos usuarios potenciales.

Esta tendencia está cambiando actualmente, de manera que todos los grupos importantes de electrodomésticos poseen en sus catálogos cocinas de inducción domésticas, bien con desarrollos propios (figura 1), bien a través de mercados de transferencia de tecnología. La mayor oferta ha traído consigo la competencia y con ésta una reducción precios y una mayor información al consumidor, teniendo como consecuencia un incremento de la participación en el mercado.

Figura 1. Algunas cocinas o placas de inducción comerciales, resultado de la investigación de nuestro grupo.

Placas de inducción

Se denominan aparatos de cocción por inducción a los aparatos electrodomésticos para cocinar que utilizan la inducción magnética como medio de generar calor en un recipiente de material metálico, normalmente ferromagnético.

Las cocinas o placas de inducción requieren la utilización de circuitos electrónicos de potencia de altas prestaciones (figura 2) que funcionan a frecuencias dentro del rango de 20 a 100 kHz, suministrando potencias superiores a 3 kW con alto rendimiento. El control de estas etapas de potencia y de los mandos del aparato se realiza mediante sistemas electrónicos digitales que utilizan microprocesadores y circuitos integrados de aplicación específica (ASICs).

Figura 2. Circuito electrónico de potencia utilizado en una placa de inducción.

La figura 3 muestra la estructura básica muy simplificada de una cocina de inducción. Un recipiente es calentado por inducción mediante la generación de un campo electromagnético por un inductor plano en espiral separado del recipiente por un vidrio cerámico. La alimentación del inductor se realiza mediante un sistema electrónico de potencia controlado por el usuario a través de los mandos al efecto. Existen diferentes tipos de mandos, desde los tradicionales rotatorios hasta los más recientes digitales tipo “touch control”.

Figura 3. Estructura básica simplificada de una cocina de inducción.

Aunque exteriormente sean muy parecidas, las diferencias entre una placa vitrocerámica convencional y una placa de inducción son muy importantes. Tal como muestra la figura 4, en una vitrocerámica convencional el calor es generado en un elemento resistivo del aparato y posteriormente es transmitido al recipiente. Sin embargo, en una vitrocerámica de inducción lo que se transmite es el campo magnético y el calor se genera internamente en el propio recipiente.

Figura 4. Diferencia entre vitrocerámicas convencionales y de inducción.

Características de la inducción

La cocción por inducción posee numerosas ventajas respecto a los sistemas tradicionales. Son de destacar las siguientes características diferenciales.

  • Rapidez de calentamiento. La producción de calor en el propio material da lugar a un calentamiento más rápido que en otros sistemas, según muestra la figura 5.

Figura 5. Comparación entre diferentes tecnologías del tiempo para calentar 1,5 litros de agua de 20 a 95º.

  • Mayor seguridad. El riesgo de sufrir quemaduras es más reducido debido a la menor temperatura de la zona de cocción.

  • Mayor facilidad de limpieza. La menor temperatura de la superficie de cocción previene la combustión de restos de alimentos (ver la figura 6), redundando en una limpieza más fácil.

Figura 6. Una placa de inducción se limpia con mayor facilidad. Los líquidos derramados no se queman.

  • Mayor eficiencia energética. La ausencia de focos caloríficos de temperatura elevada provoca un incremento de la eficiencia al reducir las pérdidas de calor al ambiente. La figura 7 presenta la comparación de eficiencia entre diferentes tecnologías de cocción.

Figura 7. Comparación de la eficiencia de calentamiento entre diferentes tecnologías.

  • Detección automática del recipiente. El sistema electrónico de las placas de inducción incorpora la funcionalidad de detectar automáticamente el recipiente, evitando consumos energéticos innecesarios y adaptándose al tamaño del mismo.

Equipo de investigación

Se trata de un equipo mixto Universidad-Empresa, abordándose principalmente las tareas de investigación desde la Universidad y las tareas de desarrollo desde la Empresa. Por parte de la Universidad de Zaragoza, el equipo está formado por siete profesores, cinco de ellos doctores, y un número variable de becarios de investigación, pertenecientes al Grupo de Investigación de Electrónica de Potencia, Departamento de Ingeniería Electrónica y Comunicaciones. Por parte de la Empresa BSH Electrodomésticos, el equipo está formado por un número variable de ingenieros, dos de ellos doctores, y personal de apoyo.

Fecha Aragón Investiga: 10/03/2003


Ficheros adjuntos


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