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Riscaldare il cibo con l'induzione elettromagnetica

Indice

Premessa

Dopo i fornelli a Gas e a resistenza, e penultimi quelli a tecnologia alogena, ecco che da un po' di tempo sul mercato italiano vengono venduti piani cottura ad induzione.

Mentre in Germania e' diventata quasi normale questa tecnologia, in Italia ancora non c'e' una grande espansione.

Infatti qualche tempo fa' sono stato contattato da una ditta di manutenzione elettrodomestici di Roma per visionare un apparecchio conosciuto per sentito dire...(almeno per me).

Era tutto smontato, ed i tecnici un po' perplessi sul funzionamento di questa nuova tecnologia, si chiedevano come funzionasse e l'eventualita' di successo nella riparazione.

Il costo delle schede elettroniche di potenza si aggira intorno ai 180,00 euro cadauno.

La curiosita' mi ha spinto a tal punto che ho deciso di ritirarlo e portarlo nel mio piccolo laboratorio.

E cosi mi sono messo d'accordo con il responsabile della ditta che gli avrei fatto un preventivo del lavoro qualora lo avessi riparato.

N.b.

A differenza di qualche articolo precedente, non intendo spiegare passo passo le eventuali riparazioni per questo tipo di elettrodomestico, vista la pericolosita' delle tensioni di induzione alle bobine.

Soprattutto i circuiti non sono separati dalla rete elettrica mediante trasformatori,quindi non tentate di affrontare il problema come fosse tutto facile.

Affidatevi ad esperti del settore.

Foto del piano cottura

Questa e' l'immagine del piano cottura in vetro ceramico.

La superficie e' interamente liscia e facilmente pulibile dopo l'uso.

piano cottura.JPG

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In basso e' evidente la serigrafia del touch screen del pannello comandi.

touch screen copia.jpg

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Vantaggi del piano cottura ad induzione

- Permette di cucinare in meno tempo, in modo più sicuro e pulito

- Tempi di riscaldamento più brevi e fino al 50% in più di potenza, grazie alla funzione Boost

- impostazione ritardata di cottura mediante timer digitale programmabile

- Controllo molto preciso della variazione di temperatura

- Se si dispone di impianto fotovoltaico risparmio energetico assicurato

- il piano in vetroceramica viene scaldato unicamente dal calore del pentolame stesso,alla temperatura di soli 110° nei piani cottura ad induzione,rispetto ai 400° dei piani di cottura a gas.

Svantaggi

- Il costo varia da 600,00 euro fino e oltre 1200,00 euro.

- Anche il costo dell'energia elettrica e' da mettere in conto, anche se in tal caso e' previsto un limitatore di corrente per acuni modelli in commercio.

- Pentole costose

- se il contratto di fornitura e' di 3 kW, potrebbe essere necessario disattivare altre utenze se si prevede l'accensione di piu' piastre contemporaneamente.

Quali tipi di pentole?

Non tutti i tipi di pentole funzionano con il piano cottura ad induzione.

E' necessario che siano costruite con acciai ad alto contenuto ferroso.

pentola.jpg

pentola.jpg

Simbolo rappresentante pentolame adatto per piani cottura ad induzione:

simbolo piano induzione.png

simbolo piano induzione.png

Funzionamento

La tecnologia di riscaldamento ad induzione elettromagnetica non e' una novita' nel campo della fisica.

La scoperta e' da attribuire al fisico inglese Michal Faraday che nel 1831 formulo' ed inquadro' in termini matematici, che i fenomeni elettromagnetici vanno visti come il risultato di una interazione, nello spazio delle diverse forze provenienti sia dalle correnti sia dalla materia magnetizzata. (cit.treccani.it)

michael faraday.jpg

michael faraday.jpg

Tanto per fare un esempio, se attorno ad un magnete avviciniamo una spira di rame, tanto piu' sara' vicina al magnete piu' aumentera' la variazione del flusso magnetico.

Al contrario piu' la spira si allontana dal magnete e ci sara' meno variazione di flusso magnetico.

La forma generale della teoria di Faraday afferma che:

la differenza di potenziale(ddp) che si forma ai capi di un conduttore (spira) per effetto dell'induzione elettromagnetica, e' direttamente proporzionale alla variazione del flusso attraverso il conduttore stesso, ed inversamente proporzionale al tempo in cui avviene tale variazione.

Dato che la spira e' agli effetti un circuito aperto, la ddp ai suoi capi e' detta forza elettromotrice(fem):

La formula matematica esprime che la forza elettromotrice indotta ai capi di un conduttore e' data dalla variazione di flusso concatenato:

e dalla velocita' in cui avviene tale variazione:

Uno sguardo all'interno

Rimosso il piano in vetro, l'unita' si presenta con 4 grossi dischi... Ma cosa sono?

main-board-e-bobine.jpg

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Come si puo' vedere in primo piano ogni disco e' una grande bobina dove e' avvolto in modo radiale del rame smaltato. Mentre si possono notare i sei magneti permanenti.

bobina-e-magneti.jpg

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L'elettronica di potenza

Nella parte in basso a sinistra e' alloggiata la scheda di potenza.

100_6808.jpg

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In primo piano i grossi toroidi usato come filtri per la rete di ingresso.

toroidi.jpg

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Ancora in primo piano l'array di 4 IGBT, per alimentare le 4 bobine, ed i sensori di temperatura avvitati sul socket.

100_6711.jpg

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Morsettiera di uscita alimentazione bobine:

morsettiera di uscita.jpg

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Il grosso Condensatore che vedete e' fornito da un produttore cinese CG- Elec product, che produce componenti particolari.

100_6716.jpg

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"Scheda su banco"

Dopo aver smontato le due schede di potenza, ho cominciato a testare le varie funzioni per comprendere al meglio il funzionamento di questa tecnica ad induzione elett.

Ho distinto due parti di alimentazione:

-la parte di potenza che alimenta le bobine,che e' sottoposta a tensione di rete opportunamente raddrizzata a doppia semionda,dal ponte di graetz montato sul dissipatore. La tensione continua e' diretta verso i 4 IGBT di grossa potenza.

-la parte di alimentazione AUX. Questa parte di alimentatore fornisce tutte le tensioni ausiliare ai rele' di protezione che nel caso ci fosse un problema di "avaria circuito" impediscono l'avvio di alimentazione alla scheda.

test1.jpg

test1.jpg

test2.jpg

test2.jpg

Dissald..jpg

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"Tecniche di verifica induzione magnetica"

Dopo aver riparato le due schede ho fatto un Test all'oscilloscopio, mettendo sulla sonda un piccolo trasformatore per applicazioni switching.

Il perché lo spiego: Anziché rischiare di collegare la sonda ai capi del Drain dell'IGBT,poiche' le pulsazioni superano i 310 V ho cercato per quanto possibile di indurre in accoppiamento il segnale proveniente dalle bobine in fase di funzionamento.

E' bastato regolare alla portata di 200 mV il segnale all'ingresso dell'oscilloscopio, ho potuto misurare il segnale.

Il segnale viene inviato alle bobine circa 30 volte al minuto.

100_6811.jpg

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traform_2.jpg

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100_6841.JPG

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Il primo video mostra il segnale all'uscita del trasformatore a contatto con la piastra:

il secondo video mostra il procedimento in chiaro:


"IGBT TOSHIBA"

IGBT.jpg

IGBT.jpg

Lo stadio finale usa dei potenti IGBT (Insulated-gate bipolar transistor). E' in grado di commutare alte tensioni Fino A 600V e alte correnti 50A (e massimo 100A per un ms)

IGBT non ha nulla da invidiare in quanto a velocita' di commutazione dei Mosfet.

Le caratteristiche piu' importanti sono:

- Fast switching (FS): Operating frequency up to 50 kHz

- Collector-emitter voltage VCES 600V

- Collector current 50A ,(for 1ms 100A)

"Touch Screen"

Non poteva mancare il Tocuh screen a tocco capacitivo.

Gestito da una schiera di sensori rivestiti da un materiale conduttivo, che quando viene toccato ne modifica' la capacita' ed un microcontrollore a bordo della scheda, ne riconosce il contatto ed associarlo alla funzione.

touch-screen.jpg

touch-screen.jpg

Sensore di temperatura piastra

Ogni piastra ha un sensore che invia al micro la temperatura impostata dal pannello di controllo.

100_6828.jpg

100_6828.jpg


Livelli di potenza

display.jpg

display.jpg

Per il piano cottura preso in esame i livelli di potenza sono visualizzati da un piccolo display a 7 segmenti:

1 livello=90W

2 Livello=144W

3 Livello=225W

4 Livello=324W

5 Livello=409W

6 Livello=648W

7 Livello=1080W

8 Livello=1548W

Raffreddamento forzato dissipatore

Una volta accesa l'unita', l'elettronica di bordo provvede ad mettere a "on" il ventilatore convogliato per smaltire il calore generato dai 4 IGBT.

flusso-d

flusso-d

"Riparazione eseguita con successo"

Il test finale l'ho eseguito per mezzo di un magnete di un altoparlante provvisto del nucleo ferroso.

Ho messo una sonda termica all'interno, ma a causa dell'elevato riscaldamento che subisce il magnete esterno la prova e' molto breve, ma evidenzia l'effetto dell'innalzamento della temperatura all'interno.

Video del test finale:


A seguito della riparazione del piano cottura, ho avuto modo di procedere con altre schede di pari livello.


100_6762.jpg

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Commenti e note

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di ,

Si in effetti l'induzione a frequenza alternata(compresa tra 20Khz e 100Khz) produce un campo magnetico variabile,quindi i magneti in teoria non servirebbero. Anzi proprio grazie all'alternanza del campo magnetico il fondo della pentola non si dovrebbe neanche magnetizzare. Come ne ho la possibilita' cerchero di studiare meglio questo materiale.

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di ,

Trattandosi di campo elettromagnetico alternato, dove si vuole che il calore si sviluppi principalmente nella base ferromagnetica della pentola, per me non ha senso mettere dei magneti permanenti. Qualcuno mi puo' spiegare la loro funzione? Grazie, ciao

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di ,

Ciao mario il materiale e' proprio magnetite.

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di ,

Bravo, ma ci sono veramente 6 magneti permamenti? Non saranno delle semplici ferriti non magnetizzate?

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di ,

a voler dire.. occorre percisare cha ad oggi con ilfotovoltaico si guadagna anche consumando in qualunque momento della giornata ma avendo la convenzione per lo scambio sul posto attivata (da attivare con il GSE, anche oggi e senza alcun conto energia, quando si "registra" l'impianto presso il GSE in alternativa alla convezione per il ritiro dedicato). Nei prossimi mesi, quando forse lo scambio sul posto magari non ci sarà più, potrebbe esser da considerare che si potrà guadagnare anche avendo un proprio impianto di accumulo. Comunque complimenti per l'articolo!

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di ,

In effetti non viene menzionato la differenza dell'impianto FV in conto energia. Grazie Mike per l'ulteriore precisazione.

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di ,

Ottimo articolo, mi permetto solo di precisare meglio questa affermazione: "Se si dispone di impianto fotovoltaico risparmio energetico assicurato" il risparmio in termini puramente economici c'è se l'impianto FV fa parte del conto energia, altrimenti il risparmio ci sarebbe solo se l'utilizzo avviene di giorno consumando direttamente l'energia prodotta.

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di ,

Anche questo articolo merita un bel voto..

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di ,

Articolo interessante, grazie Stefano

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di ,

Qualcuno ha mai fatto una comparazione di costi tra cucinare a gas e a induzione? L'energia elettrica costa più del gas, ma con l'induzione se ne usa meno. Poi c'è da dire che i 3kW sono una bella limitazione alla diffusione.

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di ,

interessante, complimenti ciao Core

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di ,

Un ringraziamento sincero a tutti voi per l'interesse mostrato!

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di ,

Bellissimo articolo stefanob70, come sempre d'altronde! Leggerti è sempre un piacere :ok:!

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di ,

Molto interessante; un mio amico si prendeva spesso una piccola scarica elettrostatica nel toccare le sue piastre, mha. Per curiosità, che cosa si era rotto? Un condensatore? Uno degli igbt? Un fusibile?

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di ,

Davvero un bell'articolo, complimenti!

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di ,

stefanob70: voto meritato !
Ciao,
Pietro.

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di ,

Stefano,i Tuoi Articoli sono sempre molto Interessanti e professionalmente istruttivi, oltre che ben fatti. Complimenti e Grazie.

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