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.
- 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.
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