BRPI1000071A2 - aquecedor de cozimento por indução e método para controlar o mesmo - Google Patents
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Abstract
AQUECEDOR DE COZIMENTO POR INDUçãO E MéTODO PARA CONTROLAR O MESMO. A presente invenção refere-se a um aquecedor de cozimento por indução, tendo pelo menos um indutor e barras de ferrita, como concentradores de campo magnético, localizadas abaixo do indutor, compreende um circuito de detecção associado às barras de ferrita e adaptado para monitorar pelo menos um parâmetro elétrico do dito circuito de detecção a fim de impedir as barras de ferrita de atingir a temperatura do ponto de Curie.
Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "AQUECEDOR;DE COZIMENTO POR INDUÇÃO E MÉTODO PARA CONTROLAR OMESMO".
A presente invenção refere-se a um aquecedor de cozimento porindução do tipo que compreende pelo menos um indutor e meio de concen-tração de campo magnético localizado abaixo do indutor.
Estes aquecedores de cozimento por indução conhecidos usamconversores de meia ponte para suprir a carga composta da bobina de indu-ção do sistema + vasilha de cozimento em série com dois capacitores res-sonantes paralelos. Como indicado na figura em anexo 1, os transistores deenergia comutam a voltagem de linha retificada e a saída para um circuito decarga RLC, que é o modelo elétrico equivalente da conexão em série de bo-bina-panela e capacitor de ressonância.
O acoplamento magnético da montagem de bobina-panela podeser modelado como um transformador com dois enrolamentos secundários:um corresponde com o fundo da panela e o segundo corresponde com omeio de concentração de campo magnético, usualmente na forma de barrasde ferrita ou similar, colocado abaixo da bobina de indução. A função princi-pal destas barras de ferrita é focalizar (isto é, concentrar) as linhas de campomagnético geradas pelo indutor e impedi-las de passar através do suportede placa de alumínio.
Na figura 2 em anexo, é mostrada uma seção transversal de umcooktop de aquecimento por indução, onde os vetores de campo magnéticosão mostrados esquematicamente.
Baseado na Lei de Ampere:
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o modelo elétrico equivalente da montagem de bobina-panela é mostradonas figuras 3 e 4.
Como as barras de ferrita concatenam com os campos eletro-magnéticos gerados pela corrente de bobina do conversor de meia-ponte deaquecimento por indução, elas começam a se autoaquecer devido (princi-palmente) à perda de energia de histerese.
A perda de energia de histerese depende da freqüência, volu-mes de ferrita e o campo magnético máximo B, como descrita na equaçãode Steinmetz empírica abaixo:
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A permeabilidade relativa magnética muda de modo não-linearcom a temperatura no núcleo da ferrita.
A figura 5 mostra a permeabilidade relativa versus a curva detemperatura de uma ferrita comercial padrão para indutores de bobina. Co-mo mostrado na figura, a permeabilidade relativa aumenta com a temperatu-ra e atinge a temperatura máxima em torno de 225°C.
Neste ponto, se a energia não é reduzida e as barras de ferritase mantêm em autoaquecimento, elas podem atingir a temperatura de pontode Curie em que qualquer material ferromagnético se torna paramagnético, eassim se torna "transparente" para o campo magnético (isto é, a permeabili-dade relativa "entra em colapso"). Então, sendo as ferritas "transparentes"para campos magnéticos, este campo magnético passará através do suportede placa de alumínio, que é um material não magnético altamente condutorelétrico. A corrente induzida começa a fluir através da placa de alumínio.
Esta transição brusca de característica ferromagnética pára pa-ramagnética muda o modelo elétrico equivalente da carga de bobina comovisto a partir do lado de conversor de energia: a impedância complexa elétri-ca em terminais de bobina é reduzida consideravelmente. De certa forma,seria quando a indutância magnética estivesse em curto-circuito. Então aparte reativa e a resistiva da impedância complexa da carga (montagem debobina indutora-panela) serão iguais à indutância de dispersão e à resistên-cia de enrolamento de bobina.
Esta nova carga de impedância equivalente vista em terminaisde bobina é conectada em série com os capacitores ressonantes: a impe-dância total suprida com voltagem de linha retificada comutada (cujo compo-nente de voltagem fundamental é igual a 93,2 Vrms quando a voltagem delinha é 230 Vrms) é muito pequena e que faz a corrente de saída subir a-bruptamente.
Estas condições de trabalho devem ser evitadas antes de alcan-çá-las reduzindo a energia de saída. No caso de fogões de aquecimento porindução-padrão, se tal condição não é detectada cedo, então os transistoresde energia do conversor de meia-ponte poderiam falhar devido à alta corren-te durante o tempo de condução.
Existem várias maneiras de detectá-la, por exemplo, um métodopadrão atual mede a relação de corrente máxima e corrente rms (médioquadrático) e compara com um valor limite predefinido. Como pode ser vistonas figuras, normalmente o fenômeno de saturação de ferrita de indutor co-meça no pico de voltagem comutada de saída (que corresponde em tempocom o pico de voltagem de linha). A energia de perda de pico que é dissipa-da pelos núcleos de ferrita nestes pontos é suficiente para aquecer a ferritaaté o ponto de Curie (tornando-a paramagnética).
Uma vez que a amplitude de voltagem comutada de saída é me-nor que certo valor, o núcleo de ferrita resfria e sua permeabilidade "recupe-ra" o valor prévio para saturação. Este fenômeno pode ser detectado facil-mente medindo a corrente da bobina. Este método é também descrito porUS-A-5665263 onde os meios de controle são fornecidos para detectar osurto de corrente que flui dentro do indutor quando as barras de ferrita atingi-rem a saturação magnética.
Também EP-A 209215 descreve um aparelho de regulagem detemperatura que inclui uma bobina de detecção para monitorar a mudançaem permeabilidade que ocorre quando um elemento ferromagnético atingiusua temperatura de Curie, o corte de energia ou redução sendo realizadosomente depois desta detecção. O método acima precisa suprir voltagem deCA constante ou energia constante para as bobinas de detecção, o que po-deria aumentar o custo dos componentes de hardware, e não pode ser apli-cado em outras áreas que fogões de aquecimento por indução, onde a cargaa ser aquecida não pode ser enrolada por bobinas de detecção.
Os métodos conhecidos acima precisam que aconteça a satura-ção de ferrita (e assim, a corrente excessiva relacionada). Além do mais, deacordo com estes métodos conhecidos não é possível avaliar que são óti-mas as condições de trabalho onde as barras de ferrita são aquecidas paraa temperatura mais perto do ponto de Curie onde a permeabilidade relativaainda tem um valor aceitável que controla a energia de saída de modo a evi-tar a saturação das ferritas.
É um objetivo da presente invenção fornecer um aquecedor decozimento por indução que não apresente os inconvenientes acima mencio-nados e que seja simples e econômico para ser produzido.
O objetivo acima é atingido graças aos aspectos listados nasreivindicações em anexo. A idéia básica fundamental da presente invenção éprever que a temperatura dos núcleos de ferritas está atingindo a temperatu-ra do ponto de Curie e reduzir a energia consequentemente, de modo a evi-tar a saturação de ferrita real. Este método é realizado detectando direta-mente o fluxo magnético que passa através do núcleo de ferrita. Vários tiposde sensores podem ser usados, por exemplo, bobinas de imantação simplesenroladas em torno de barras de ferrita. Um sensor de fluxo magnético pre-ferido pode ser implementado enrolando arames em torno da ferrita do indu-tor e medindo o sinal de voltagem de saída.
Detalhes e vantagens adicionais da presente invenção se torna-rão claros a partir da descrição detalhada seguinte, com referência aos de-senhos em anexo, em que:
a figura 1 mostra um conversor de meia-ponte de tipo conhecidoe o modelo elétrico equivalente do mesmo;
a figura 2 mostra uma seção transversal de um cooktop de a-quecimento por indução conhecido, onde os vetores de campo magnéticosão mostrados quando a temperatura da ferrita está abaixo ou acima doponto de Curie;
as figuras 3 e 4 mostram os modelos elétricos equivalentes damontagem de bobina de indução + panela;
a figura 5 mostra a permeabilidade relativa de um material deferrita versus temperatura;
a figura 6 mostra um sensor de circuito de acordo com a inven-ção, associado a uma barra de ferrita;
a figura 7 mostra a curva de relação da voltagem de pico versuspermeabilidade relativa, medida a partir da bobina de imantação da figura 6;
a figura 8 mostra alguns diagramas com variação de pico de vol-tagem versus variação de permeabilidade relativa;
a figura 9 mostra dois diagramas como a corrente de bobina e osinal de voltagem mudam respectivamente se a temperatura do ponto deCurie é alcançada;
a figura 10 mostra um circuito de sensor de acordo com a inven-ção em uma segunda modalidade do mesmo;
a figura 11 mostra alguns exemplos onde sensores de circuito dafigura 6 são usados duas vezes ou mais para cada barra de ferrita, e ondemais que uma barra de ferrita, para cada zona de aquecimento, é fornecidacom um sensor de circuito, e
as figuras 12a e 12b são diagramas de bloco para um aquecedorde cozimento por indução de acordo com a invenção, onde o ponto determi-nado é uma permeabilidade relativa predefinida e o gradiente zero do sinalde sensor versus tempo, respectivamente.
De acordo com a invenção, um circuito de condicionamento desinal 10 tão simples quanto o circuito de detector de pico de voltagem (figura6) é suficiente para detectar a variação de permeabilidade relativa devido àtemperatura.
O circuito de detecção 10 compreende um arame 10a enroladoem torno de uma barra de ferrita 12 que é uma das barras colocadas abaixoda bobina de indução C colocada sob uma superfície de vidro G na qual umavasilha de cozimento V é suportada. As barras de ferrita são feitas de com-posto de cerâmica ferromagnética não-condutora derivada de óxidos de ferrobem como óxidos de outros metais. Sob as barras de ferrita 12, uma placade alumínio P é colocada para fechar a partir do fundo do hardware de sis-tema de aquecimento por indução.
A voltagem Vm induzida no arame 10a enrolado em torno daferrita 12 é proporcional à variação do campo magnético, de acordo com alei de Faraday (onde N é o número de voltas de arame):
<formula>formula see original document page 7</formula>
Considerando que a variação de fluxo versus tempo se parececom uma forma de onda senoidal, a amplitude de Vm é proporcional ao fluxomáximo que passa através do núcleo de ferrita:
<formula>formula see original document page 7</formula>
O fluxo pode ser expresso em termos de autoindutância:
<formula>formula see original document page 7</formula>
E autoindutância é inversamente proporcional à relutância mag-nética e diretamente proporcional à permeabilidade relativa:
<formula>formula see original document page 7</formula>
Assim, a Vm é diretamente proporcional a prel quando a perme-abilidade relativa prel muda devido a variação de temperatura, então (comouma conseqüência) a amplitude de voltagem de saída aumenta (se prel au-menta) ou diminui consequentemente.
Na figura 7 é mostrada a curva de pico de voltagem de saída debobina de imantação versus variação de permeabilidade relativa. Além domais, na figura 8 é mostrada a forma de onda de voltagem de saída versustempo em permeabilidade relativa diferente dos núcleos de ferrita.
Consequentemente, uma vez que a temperatura de ponto deCurie é atingida, a voltagem de saída cai para zero quando a variação defluxo dentro da ferrita é zero (quando o material se torna paramagnético).Um exemplo é mostrado na figura 9.
Esta variação de voltagem pode ser detectada diretamente comcircuito de detector de pico de voltagem como mostrado na figura 6. No en-tanto, outro circuito de condicionamento de sinal que mede valores relacio-nados à amplitude de Vm (como, por exemplo, a Vm eficaz) pode ser usada.
Em outro lugar, estes valores podem ser calculados diretamenteusando o conversor de AD disponível em microcontrolador, como mostradona figura 10.
O benefício da presente invenção é detectar antecipadamenteque a temperatura dos concentradores de campo magnético, usualmentebarras de ferrita, está atingindo a temperatura de ponto de Curie, onde apermeabilidade relativa da ferrita reduz para zero. Desta maneira, o controlede aquecimento por indução pode reduzir a energia de saída de modo a re-duzir a energia de perda de histerese dentro da ferrita prevenindo o autoa-quecimento. Como uma conseqüência, condições de trabalho perigosas po-tenciais que sujeitam ao esforço os transistores de energia da meia-pontepodem ser evitadas mais cedo que com o algoritmo de segurança padrãoatual, prolongando a vida útil dos transistores de energia.
Além do mais, outro exemplo de aplicação que aperfeiçoará arobustez da invenção é aplicar os vários sensores por toda a barra de ferritaúnica de modo a detectar melhor onde ocorre a saturação de ferrita. Esteexemplo é mostrado na parte superior da figura 11. Além do mais (a partebaixa da figura 11), as ferritas enroladas com bobina de imantação 10a po-dem ser mais que uma para cada bobina de indução a fim de cobrir maisque um eixo na zona de fogão de indução.
Estes exemplos de aplicação (que usa mais que uma bobina deimantação) são mais robustos contra o fator externo como, por exemplo, aposição da panela com respeito à bobina de indução.
Na figura 12a pode ser mostrado um exemplo do controle acima,o sinal de saída do circuito de condicionamento de hardware, fixado na bobi-na de detecção, sendo conectado a um comparador, que compara com umvalor constante relacionado a uma permeabilidade relativa predefinida.
Qualquer que seja o valor instantâneo medido pela bobina de detecção, aenergia de saída é reduzida como determinado por um controle do tipo PIDque atua uma energia de saída de modo a reduzir o erro a zero.
Outro tipo de controle que pode ser aplicado no sinal de saídade sensor é um controle que rastreia o gradiente do sinal de sensor versustempo a fim de detectar o seu máximo, isto é, o momento em que o gradien-te de sinal vai a zero, e reduzir a energia de modo a manter a permeabilida-de relativa em seu valor máximo possível, logo abaixo da temperatura deponto de Curie. Na figura 12b é mostrada a aplicação acima.
Sendo capaz de trabalhar perto do limite em que a temperaturade núcleo de ferrita é quase igual à temperatura de ponto de Curie é outravantagem se comparado a soluções presentes, porque aumenta a área deoperação de segurança do conversor de meia-ponte de aquecimento porindução. Portanto, o desempenho total do conversor de meia-ponte de a -quecimento por indução aumenta.
Mesmo se uma topologia de conversor de meia-ponte foi descri-ta, a presente invenção pode ser usada com diferentes configurações dosconversores de energia.
Claims (12)
1. Aquecedor de cozimento por indução do tipo que compreendepelo menos um indutor (C) e meio de concentração de campo magnético(12) localizado abaixo do indutor, caracterizado pelo fato de que ainda com-preende um circuito de detecção (10, 10a) associado ao meio de concentra-ção de campo magnético (12) e adaptado para monitorar pelo menos umparâmetro elétrico do dito circuito de detecção (10, 10a) a fim de impedir omeio de concentração de campo magnético (12) de atingir a temperatura deponto de Curie.
2. Aquecedor de cozimento por indução, de acordo com a reivin-dicação 1, em que o meio de concentração de campo magnético compreen-de uma pluralidade de barras de ferrita (12), em que o dito circuito de detec-ção (10) compreende uma bobina (10a) enrolada em torno de pelo menosuma das ditas barras de ferrita (12).
3. Aquecedor de cozimento por indução, de acordo com a reivin-dicação 2, em que os ditos circuitos de detecção (10) são aplicados em vá-rias posições da barra de ferrita (12) ou em mais de uma barra de ferrita (12)associada a um único indutor (C).
4. Aquecedor de cozimento por indução, de acordo com qual-quer uma das reivindicações precedentes, em que o parâmetro elétrico docircuito de detecção (10, 10a) é a voltagem do mesmo ou um parâmetro re-lacionado com voltagem.
5. Aquecedor de cozimento por indução, de acordo com a reivin-dicação 4, em que o circuito de detecção (10, 10a) compreende um circuitode detecção de pico de voltagem.
6. Aquecedor de cozimento por indução, de acordo com a reivin-dicação 4, em que o circuito de detecção (10, 10a) compreende um conver-sor de AD.
7. Método para controlar um aquecedor de cozimento por indu-ção do tipo que compreende pelo menos um indutor (C), um gerador distri-buindo uma corrente de alta freqüência para suprir o indutor e meio de con-centração de campo magnético (12) abaixo do indutor, caracterizado pelofato de que compreende fornecer um circuito de detecção (10, 10a) associa-do ao dito meio de concentração de campo (12) e monitorar um parâmetroelétrico do dito circuito de detecção (10, 10a) a fim de impedir o meio deconcentração de campo magnético (12) de atingir a temperatura de ponto deCurie.
8. Método, de acordo com a reivindicação 7, em que o parâme-tro elétrico do circuito de detecção (10, 10a) é a voltagem ou um parâmetrorelacionado à voltagem.
9. Método, de acordo com a reivindicação 7 ou 8, em que o cir-cuito de detecção compreende uma bobina (10a) com pelo menos uma voltaenrolada em torno de uma barra de ferrita (12) do dito meio de concentraçãode campo magnético.
10. Método, de acordo com a reivindicação 9, em que o circuitode detecção compreende uma pluralidade de bobinas (10a) enroladas emtorno de uma barra de ferrita (12).
11.
Método, de acordo com a reivindicação 10, em que o circuitode detecção compreende uma pluralidade de bobinas (10a) enroladas emtorno de uma pluralidade de barras de ferrita (12) associadas a um indutorúnico (C).
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