Modeling, sensing and control of mobile cooking zones in induction cooktops
- Autores: Juan Carlos Pacho Gutiérrez
- Directores de la Tesis: Gonzalo López-Nicolás (dir. tes.), Carlos Sagüés (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Zaragoza ( España ) en 2015
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Fernando Torres (presid.), Rosario Aragues (secret.), Dusan Stipanovic (voc.)
- Materias:
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- Resumen
Esta tesis trata acerca de encimeras de cocción, que es uno de los electrodomésticos más comunes en nuestra vida cotidiana. Las cocinas han evolucionado a lo largo del tiempo desde las clásicas cocinas de gas o con calentadores resistivos hasta las encimeras de inducción modernas. La popularidad de las cocinas de inducción está creciendo últimamente debido a su eficiencia, velocidad y facilidad de limpieza. Sin embargo, este tipo de dispositivos es mucho más complejo de diseñar y de desarrollar que los demás, y todavía hay muchos temas abiertos en investigación. Hoy en día, las características más demandadas por los usuarios son la eficiencia, y las zonas de cocinado flexibles capaces de calentar cualquier recipiente, de cualquier tamaño y forma, colocado en cualquier posición. Recientemente, las encimeras con zonas de calentamiento flexibles han salido al mercado con una acogida extraordinaria. Este tipo de cocinas flexibles pueden activar parcialmente las zonas de cocción para adaptar la zona de calentamiento a las diferentes formas de los recipientes. No obstante, este tipo de encimeras tienen los inconvenientes de un mayor coste y menor eficiencia que las cocinas convencionales.
En el campo de las cocinas de inducción, esta tesis considera el problema del calentamiento de recipientes, de cualquier tamaño forma y en cualquier posición, de una forma uniforme y eficiente. En concreto, proponemos basar nuestro trabajo en el desarrollo de zonas de cocinado móviles, lo que representa una idea novedosa y rompedora. Muchos son los retos técnicos y teóricos a resolver en esta ambiciosa tarea. En particular, las partes más importantes del trabajo realizado incluyen la identificación y el modelado del sistema; la investigación de nuevos métodos de sensado para estimar el estado del sistema; y el diseño de nuevos algoritmos de control para realizar el calentamiento. Cada una de estas tareas ha requerido la resolución de problemas particulares produciendo diferentes contribuciones, con soluciones técnicas y teóricas en los siguientes aspectos.
Modelado de calentamiento por inducción móvil: El elemento principal de una cocina de inducción es la etapa de potencia, que alimenta el inductor con corrientes de alta frecuencia generando un campo magnético variable. Este campo magnético calienta recipientes ferromagnéticos colocados sobre el cristal vitrocerámico mediante corrientes de Foucault e histéresis magnética. Una de las contribuciones consiste en el modelado de la distribución de calentamiento a lo largo de la base del recipiente. Este modelo permite el análisis de los principales parámetros que afectan a los resultados del calentamiento por inducción móvil. En concreto, la velocidad y la trayectoria del inductor, así como la distribución de la potencia de calentamiento del inductor.
Además, he estudiado cómo estos parámetros afectan al calentamiento, y basado en las conclusiones se ha propuesto un nuevo inductor móvil formado por dos espiras concéntricas. Esto permite el calentamiento uniforme de recipientes de cualquier forma y tamaño. Este inductor doble móvil ha sido probado experimentalmente en un prototipo, y el modelo y la solución propuesta han sido validadas.
Sensores para la estimación de temperatura: Adicionalmente, se estudia como estimar el estado del sistema. La temperatura del recipiente es el parámetro más importante en un proceso de cocinado para garantizar la seguridad y la funcionalidad. Por un lado, es importante mantener la temperatura en un rango seguro para evitar el riesgo de fuego, y por otro lado, la temperatura debe permanecer uniforme en toda la superficie de cocinado para obtener los mejores resultados.
Por lo tanto, he abordado el complejo problema de determinar la temperatura de un recipiente, con posición desconocida y desde debajo de la superficie vitrocerámica. Aquí, se presentan dos aproximaciones diferentes como contribuciones. La primera consiste en un conjunto de termistores distribuidos a lo largo del cristal para medir su temperatura. Con esta temperatura y un modelo de la transferencia de calor del recipiente al cristal, es posible estimar adecuadamente la temperatura del recipiente. La segunda aproximación consiste en medir la variación de las propiedades eléctricas en la base del recipiente con la temperatura. Esto se mide con un sensor inductivo, es decir, con una bobina, que puede ser la misma que calienta el recipiente, conectada a un circuito oscilador. Ambas modalidades de sensado propuestas son fácilmente integrables en cocinas de inducción, y presentan una buena relación entre fiabilidad de la medida y coste.
Localización de recipientes: Para calentar un recipiente, que puede estar colocado en cualquier posición sobre la encimera, un elemento clave es su localización. Para desarrollar sensores y localizar al recipiente hay que tener en cuenta algunos aspectos: el cristal puede alcanzar temperaturas muy altas, y el sistema de localización tiene que ser robusto y barato. En esta tesis, he propuesto un nuevo sistema basado en acelerómetros colocados bajo el cristal vitrocerámico. Cuando un recipiente se coloca sobre la encimera, se produce una onda de impacto que se transmite por el cristal. Por lo tanto, es posible determinar la localización del recipiente midiendo la distancia de llegada entre los diferentes frentes de onda a los acelerómetros. Aunque con este sistema se obtiene una localización aproximada del recipiente, el centro, la forma y el tamaño son todavía desconocidos. Por lo tanto, para mejorar la estimación de la posición he propuesto usar un inductor móvil para realizar medidas de impedancia. La impedancia varía con el porcentaje de inductor cubierto, y con esa información se ha diseñado un procedimiento para obtener la posición y el tamaño del recipiente.
Control de movimiento y potencia de zonas de cocinado móviles: Una vez definido el modelo y diseñado un procedimiento para estimar las principales variables del sistema, es preciso definir una estrategia de control que cumpla los requerimientos de la tarea de calentamiento. En concreto, la primera contribución en este tema es una estrategia de movimiento coordinado que dirije un conjunto de inductores a un conjunto de recipientes cubriendo por completo sus superficies. También se han elaborado estrategias que desarrollan la acción de movimiento de forma indefinida hasta que la cocina sea apagada, y que son flexibles a entornos variables ya que se pueden poner y quitar recipientes en medio de un proceso de cocinado. Además de estos requerimientos, también se ha tenido en cuenta el coste computacional, ya que van a ser implementadas en un microprocesador de prestaciones limitadas. La estrategia que propongo está basada en algoritmos de cobertura dinámica, pero he diseñado una nueva formulación para tener en cuenta la pérdida de cobertura, o enfriamiento; y una nueva estrategia de control para cubrir dominios inconexos evitando colisiones, de una forma persistente, y en la que el movimiento es calculado de forma reactiva y distribuida.
Al contrario que en las propuestas clásicas, también considero el reto de calentar cada recipiente con una cantidad determinada de potencia. En el estado del arte, el exceso de cobertura se considera ineficiente, pero no dañino. Sin embargo, en nuestra aplicación, tanto un nivel de calentamiento por encima como por debajo se considera nocivo, ya que puede provocar con comida cruda o demasiado cocinada. De este modo, otra contribución principal es el diseño de algoritmos de cobertura con actuadores de intensidad y rango variables, dando lugar a niveles de cobertura diferentes en cada área, y de forma uniforme y eficiente. Esta aproximación es nueva y hasta donde sabemos, es la primera vez que ha sido considerado en la literatura. Además, se han realizado numerosas simulaciones que demuestran la validez de los algoritmos de control de cobertura propuestos en términos de eficiencia y efectividad.
