Desenvolvimento e Análise de um Circuito Aquecedor por Indução Eletromagnética

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DESENVOLVIMENTO E ANÁLISE DE UM CIRCUITO 
AQUECEDOR POR INDUÇÃO ELETROMAGNÉTICA. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
CACOAL 
2019 
ANDRE VIRGILIO DA SILVA AUGUSTO 
GUILHERME ADAMINSKI 
JEFFERSON CUNHA SILVA 
LUCAS NIENKE 
 
 
 
 
 
 
 
 
SISTEMA DE ENSINO PRESENCIAL CONECTADO 
ENGENHARIA ELÉTRICA 
 
 
 
 
ANDRE VIRGILIO DA SILVA AUGUSTO 
LUCAS NIENKE DUARTE 
GUILHERME ADAMINSKI MATIAS 
JEFFERSON CUNHA SILVA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
DESENVOLVIMENTO E ANÁLISE DE UM CIRCUITO 
AQUECEDOR POR INDUÇÃO ELETROMAGNÉTICA. 
 
 
 
 
 
 
Trabalho apresentado na Universidade Norte Do 
Paraná, como parte integrante dos requisitos 
para a avaliação na disciplina de Metodologia 
Científica; Medidas e Materiais Elétricos; 
Eletromagnetismo; Circuitos Elétricos II; 
Eletrônica Analógica; Seminário Interdisciplinar 
VI., sob a orientação dos Professores: Giancarlo 
M. Gaeta Lopes; Jenai Oliveira Cazetta; Lucas 
dos S. A. Claudino; Regina Célia Adamuz; 
Renato Miamoto Kazuo; 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
CACOAL 
2019 
 
 
SUMÁRIO 
 
1 INTRODUÇÃO 4 
 
2 DESENVOLVIMENTO 5 
2.1 TAREFA 1 - ELETROMAGNETISMO 6 
2.2 TAREFA 2 - MEDIDAS E MATERIAIS ELÉTRICOS 9 
2.3 TAREFA 3 - CIRCUITOS ELÉTRICOS II 11 
2.4 TAREFA 4 - ELETRÔNICA ANALÓGICA 11 
 
3 CONCLUSÃO 16 
 
4 REFERÊNCIAS 17 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4 
 
1 INTRODUÇÃO 
 
Um dos assuntos mais importantes do eletromagnetismo clássico é a 
indução eletromagnética. Este fenômeno teve e tem implicações prático 
tecnológicas extremamente importantes, tais como o desenvolvimento de 
geradores elétricos e sistemas de radiofrequência. A indução eletromagnética 
pode ser associada a movimentos de translação e rotação dos circuitos elétricos e 
imãs que compõem um dado sistema. (CARVALHO, SILVA, 2012, adaptado pelos 
autores). 
Em 1831, Faraday observou que o movimento de um imã nas proximidades 
de uma bobina condutora provocava o aparecimento de uma corrente na bobina. 
Se surge uma corrente na bobina, é porque existe uma força eletromotriz (fem) 
responsável por ela. Essa fem é denominada fem induzida (HESSEL, FRESCHI, 
SANTOS, 2015). 
Faraday observou que no momento em que o circuito primário era ligado, 
uma corrente elétrica era induzida no circuito secundário e que, ao desligar o 
circuito primário, uma nova corrente era induzida no circuito secundário, ou seja, 
uma corrente em sentido contrário. Repetiu esse experimento com algumas 
alterações: sem o anel metálico e sem uma das bobinas. No primeiro caso, 
percebeu que a indução de uma corrente elétrica ocorria mesmo quando entre as 
bobinas só houvesse ar. No segundo caso, introduziu uma barra metálica no 
interior da bobina ligada ao amperímetro, e a partir do movimento relativo 
(aproximação e afastamento) entre a barra e a bobina, observou a geração de 
corrente elétrica (MARQUES, 2018, adaptado pelos autores). 
O aquecimento por indução ocorre no corpo de prova a aquecer sem 
nenhum contato. Usa alta frequência para aquecer materiais que são bons 
condutores elétricos. Uma vez que não ocorre o contato, o processo de 
aquecimento não deixa contaminantes no material a ser aquecido. Também é 
muito eficiente, devido ao calor realmente a ser gerado dentro da peça e/ou corpo 
de prova. Isso o distingue de outros métodos de aquecimento em que o calor é 
gerado numa chama ou elemento de aquecimento aplicado à peça. 
(RODRIGUES, SILVA, 2017). 
5 
 
Todos os materiais condutores de eletricidade oferecem uma oposição ao 
fluxo das cargas elétricas, chamada resistência, e que realiza a transformação da 
energia elétrica em energia térmica, ocasionando um aumento de temperatura no 
material condutor (GONZÁLES, 2008). Essa transferência de energia é descrita 
pela Lei de Joule. Esse fenômeno explica diretamente a forma de aquecimento de 
um chuveiro elétrico, onde a resistência se aquece quando há circulação de 
corrente elétrica entre seus terminais. O aquecimento por indução magnética, por 
sua vez, é uma aplicação direta da Lei de Faraday-Maxwell (NETO, 2013). 
O funcionamento do aquecimento por indução se dá basicamente pelas 
correntes de Foucault e histerese. Correntes de Foucault, também conhecidas 
como correntes parasitas, são aquelas correntes que são induzidas em um 
material ferromagnético quando este fica sujeito a um fluxo magnético variável. Já 
o efeito da histerese ocorre pela dissipação de uma potência na forma de calor 
quando os domínios magnéticos do material condutor se alinham devido a 
presença de um campo magnético externo (TRAPP, HIGAKI, INOUE, 2015). 
Antes do surgimento do aquecimento por indução, as formas mais usadas 
de aquecimento eram através de resistência elétrica. As aplicações do 
aquecimento indutivo eram largamente utilizadas na indústria siderúrgica (fornos 
de indução) podendo atingir a temperatura de 330°C em apenas 6 segundos, na 
indústria automotiva para aquecimento de componentes mecânicos e finalmente 
em aplicações domésticas como a utilização em fogões (GH ELECTROTERMIA, 
2011) 
O objetivo é criar um protótipo de um fogão a indução, afim de demonstrar 
as vantagens dessa tecnologia, a sua eficiência energética e a segurança do 
mesmo. Esse protótipo analisa os princípios físicos e conceituais eletromagnéticos 
presentes em bobinas por onde flui uma corrente elétrica variante no tempo, onde 
podendo ser analisado o comportamento do aquecimento em determinada bobina. 
 
2 DESENVOLVIMENTO 
 
 A simulação do circuito eletrônico analógico responsável por fazer o 
acionamento da bobina e transferir ondas eletromagnéticas para o material a ser 
aquecido, é feita no software LTspice como mostra a figura 1, e constatou que 
6 
 
nesse circuito as correntes nos indutores L1 = -6A; L2 = 6.38A e L3 = 12.76A, já a 
corrente em cima do capacitor C1 é de 2.23A, e do diodo D1 e D2 = 13.66 A. 
 A implementação do circuito foi feita fisicamente, e as correntes foram 
aproximadas, variando milésimos nas casas decimais do multímetro, isso 
acontece porque os resistores e diodos possuem variações de 1% até 5%, e 
nesse protótipo utilizou-se resistores variados, onde não era possível identificar 
qual a sua variação exata. 
 
Figura 1: Esquema Elétrico de ligação do fogão por indução 1: 
 
 
Fonte: Elaborada pelos Autores 
 
 Na simulação os resistores e diodos tiveram uma tolerância de variação 
entre 1%, o que pode alterar os valores aqui calculados, entretanto a diferença é 
mínima e não afeta as análises feitas. Nesse circuito a bobina L1 e L2 são 
responsáveis por fazer a indução eletromagnética ao material a ser aquecido. 
 
 2.1 TAREFA 1 - ELETROMAGNETISMO 
 
As correntes de Foucault, também conhecidas como correntes parasitas, 
surgem em materiais metálicos que se movem em uma região em que há campo 
magnético. Entretanto, diferente do caso em que temos uma corrente induzida em 
um percurso bem definido, como ocorre no caso de uma espira, as correntes 
parasitas surgem em materiais metálicos compactos, devido a variação do campo 
7 
 
magnético em uma dada região desse material (SOUZA, SILVA, BALTHAZAR, 
2018). 
O aquecimento do fogão é sem contato físico, e acontece entre a bobina e 
o material metálico a ser aquecido e envolve somente as partes metálicas imersas 
no campo magnético. Isso caracteriza um aquecimento sem perdas de calor. 
Temos 3 princípios para a explicação desse fenômeno eletromagnético, são eles: 
- A condução térmica 
- Efeito Joule 
- Campo Eletromagnético 
A condução térmica, também chamada de difusão térmica, é um tipo de 
propagação de calor que acontece num meio material decorrente das agitações 
das moléculas. Com o aumento da temperatura de um corpo sólido (seja por 
aquecimento ou contato com outro), a energia cinética também aumenta. Isso 
resulta numa maior agitação das moléculas (GOUVEIA, 2018). 
O efeito Joule é um fenômenofísico que consiste na conversão de energia 
elétrica em calor. Esse fenômeno ocorre quando algum corpo é atravessado por 
uma corrente elétrica. As constantes colisões que ocorrem entre os elétrons e os 
átomos que compõem a estrutura cristalina do corpo fazem com que sua 
temperatura aumente, fazendo com que parte da energia elétrica contida nos 
portadores de carga seja convertida em calor (HELERBROCK, 2019). 
Campo Magnético é a concentração de magnetismo que é criado em torno 
de uma carga magnética num determinado espaço. É o ímã que cria o campo 
magnético, da mesma forma como é a carga elétrica e a massa que, 
respectivamente, criam os campos elétrico e gravitacional (TODA MATERIA 
2018). 
 
Figura 2: Campo Magnético criado por um imã: 
8 
 
 
Fonte:https://static.todamateria.com.br/upload/58/74/5874fe47191e1-campo-
magnetico.jpg 
 
Quando um fio retilíneo é percorrido com uma corrente elétrica i, ele gera 
ao seu redor um campo magnético, cujas as linhas do campo são circunferências 
concêntricas pertencentes ao plano perpendicular ao fio e com centro comum em 
um ponto dele. Para sabermos qual o sentido do campo magnético deste fio 
utilizamos a regra da mão direita. Coloca-se polegar direito no mesmo sentido que 
a corrente, assim a direção que os demais dedos curvados nos mostrarão o 
sentido do campo (TOFFOLI, 2019). 
 
Figura 3: Campo Magnético de um fio condutor: 
 
Fonte: https://def.fe.up.pt/eletricidade/img/campo_magnetico_fio_560.png 
 
Segundo SILVA (2019) para encontrarmos o campo magnético de uma 
bobina de indutância 𝐿, área 𝐴, permeabilidade magnética , composta por 𝑁 
voltas e um fio de comprimento 𝑙 e núcleo de ar temos as seguintes 
características: 
9 
 
- Na parte interna do solenoide, o campo magnético pode ser considerado 
uniforme, com linhas de indução paralelas entre si. 
- Quanto mais longo for o solenoide, mais uniforme será o campo 
magnético em seu interior e mais fraco o campo magnético externo. 
- Daqui por diante consideraremos o campo magnético no interior do 
solenoide sempre uniforme e externamente nulo. 
- Direção: os vetores indução magnética B no interior do solenoide são 
retilíneos e paralelos ao eixo do solenoide. 
 
 
 
 
 
(1) 
 
Onde que é a permeabilidade magnética do meio no interior do solenoide 
que tem valor de 4 . O termo N/L representa o número de espiras por 
unidade de comprimento do solenoide, e I a corrente elétrica induzida. 
Bobinas com núcleo de ar: São indutores que não utilizam núcleo de material 
ferromagnético. Possuem baixa indutância e são utilizadas em altas frequências, 
pois não apresentam as perdas de energia causadas pelo núcleo, as quais 
aumentam consideravelmente com a frequência (PEDOTTI, 2014). A equação 2 
demonstra como calcular a indutância de uma bobina com núcleo de ar. 
 
𝐿 
 
 
 
(2) 
 
 O protótipo terá condutores enrolados conforme um solenoide, e nesse 
caso o campo magnético será igual a figura 4 abaixo. 
 
Figura 4: Linhas do Campo Magnético de um fio condutor: 
10 
 
 
 
Fonte: https://www.electronics-tutorials.ws/wp-content/uploads/2018/05/io-io15.gif 
 
 Utilizando a equação 1 calculamos o campo magnético feito no LTspice da 
figura 1, e utilizando o software retiramos os dados necessários para realizar o 
cálculo, como a bobina L1 e L2 estão em série as correntes são praticamente 
iguais a 6. Como a bobina tem comprimento 0,15m e 100 espiras encontramos um 
campo igual a: 
 
 
 
 
 
 
 Gauss 
 
 2.2 TAREFA 2 - MEDIDAS E MATERIAIS ELÉTRICOS 
 
Os equipamentos que compõem um sistema de aquecimento indutivo são: 
fonte de alimentação CA, bobina de indução e a peça de trabalho que é o material 
a ser aquecido. A fonte CA gera uma corrente alternada que irá gerar um campo 
magnético na bobina, quando a peça de trabalho é posta no meio da bobina, o 
campo magnético induz correntes parasitas que flui contra a resistividade do 
material da mesma aquecendo-a (cabe ressaltar que não existe contato físico 
entre a peça e a bobina de indução. A figura 5 mostra o material a ser aquecido 
dentro de uma bobina) (AMBRELL PRECISION INDUCTION HEATING, 2014). 
 
Figura 5: Material sendo aquecido dentro da bobina, sem contato com a mesma: 
 
11 
 
 
Fonte: https://www.ambrell.com/hubfs/Ambrell_PDFs/411-0168-18.pdf 
 
Os materiais que podem ser usados nesse fogão e irão sofrer aquecimento 
são: 
 
Tabela 1: Materiais que aquecem com indução eletromagnética e sua 
Permeabilidade: 
 
Material Permeabilidade Magnética Relativa 
Aço 500 a 5000 
Cobre 0,99999 
Alumínio 1,000012 
 
Fonte:https://demoniodemaxwell.wordpress.com/2008/08/24/algumas-constantes-
eletromagneticas-de-alguns-materiais/ Adaptada pelos autores 
 
A indutância é proporcional ao número de espiras e inversamente 
proporcional à corrente, e sua unidade é dada em henrys. A permeabilidade de 
materiais ferromagnéticos pode chegar a dezenas de milhares de vezes que a 
permeabilidade do ar, assim o fluxo magnético está concentrado em caminhos 
muito bem definidos pelos domínios magnéticos do material (FITZGERALD, JR. e 
UMANS, 2006). 
O aço é um material com alta resistividade e podem aquecem mais rápido, 
já o cobre e o alumínio são metais com baixa resistividade e demoram mais tempo 
para aquecer, sendo assim exigem mais energia. 
 
2.3 TAREFA 3 - CIRCUITOS ELÉTRICOS II 
 
12 
 
 Na bobina L1 temos uma corrente de -6.38 A, e uma tensão de 2.21 volts, 
com esses valores calcularemos a tensão de pico, valor da tensão em RMS, 
frequência e valor médio. 
 
 
2.4 TAREFA 4 - ELETRÔNICA ANALÓGICA 
 
 Nessa tarefa iremos utilizar o circuito da figura 1, porém vamos inserir 
resistores de 10KΩ em paralelo com a base do IRF7343N, e mudamos os diodos 
para 1N4007 como mostra a figura 6 abaixo: 
 
Figura 6: Esquema Elétrico de ligação do fogão por indução 2: 
 
Fonte: Elaborada pelos Autores 
 
Nesse esquemático utilizamos os seguintes materiais: 
- MOSFET IRFZ44N: 2 unidades; 
- Resistor 10kΩ/1W: 2 unidades (pode ser de potência superior); 
- Resistor 470Ω/1W: 2 unidades (pode ser de potência superior); 
- Diodo 1N4007: 2 unidades; 
- Capacitor 22nF/2kV: 1 unidade; 
- Núcleo toroidal: 1 unidade; 
- 5 Metros de Fio 12AW. 
 
Figura 7: Protótipo implementado: 
13 
 
 
 
Fonte: Elaborada pelos Autores 
 
O indutor de núcleo toroidal teve 13 voltas de fio 12AWG, o mesmo utilizado 
no projeto foi o da figura 8 abaixo: 
 
Figura 8: Indutor de Núcleo Toroidal utilizado no protótipo: 
 
 
Fonte: Elaborada pelos Autores 
 
Os MOSFETs foram presos em apenas um dissipador como na figura 9, 
pois a parte metálica dos mesmos não é conectada ao dreno, ou seja, a parte de 
trás dos MOSFETs é apenas para dissipação de calor. 
 
Figura 9: MOSFETs presos no dissipador de calor: 
14 
 
 
 
Fonte: Elaborada pelos Autores 
 
 
A bobina de indução da figura 10 teve 9 voltas de fio 12AWG, e na bobina 
secundaria foi raspado para soldar o indutor. 
 
Figura 10: Bobina de indução utilizado no protótipo: 
 
 
Fonte: Elaborado pelos autores 
 
A fonte de tensão utilizado para ligar o protótipo é descrita na figura 11, 
onde possui 30 Watts de potência, e uma tensão de entrada variável de 90 a 240 
volts alternado. 
 
 
Figura 11: Fonte de tensão utilizada: 
15 
 
 
 
 
 
Fonte: Elaborada pelos Autores 
 
 A fonte utilizada tem saída (OUTPUT) de 3/4.5/6/7.5/9/12 volts em corrente 
contínua, ideal para o nosso projeto, o qual utilizamos 12 volts. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
16 
 
3 CONCLUSÃO 
 
O fogão a indução que criamos foi projetado e analisadono software 
Ltspice, e através do software analisamos as correntes e tensões que atuavam em 
cada componente ali presente. Criamos bobinas indutoras, calculamos o campo 
magnético da mesma, e testamos em componentes que se aquecem com a 
indutância criada pela corrente que flui nos indutores. 
O projeto mostrou-se de alta relevância para os acadêmicos, pois a 
graduação de Engenharia Elétrica é baseada em eletrônica de potência, 
eletromagnetismo, circuitos elétricos, eletrônica e medidas elétricas, e como o 
objetivo era criar um fogão a indução, concluímos que o protótipo funcionou 
corretamente, e atendeu as medições feitas através do software, apenas havendo 
pequenas variações de valores, devido a tolerância dos equipamentos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
17 
 
4 REFERÊNCIAS 
 
AMBRELL PRECISION INDUCTION HEATING. Aquecimento por indução 
Bobinas de indução. Ambrell. [S.l.], p. 4. 2014. Disponível em: 
<https://www.ambrell.com/hubfs/Ambrell_PDFs/411-0168-18.pdf > Acesso em: 
23/10/2019 
 
FITZGERALD, A. E.; JR., C. K.; UMANS, S. D. Máquinas Elétricas. 6ª. ed. 
Bookman, 2006. 
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http://159.90.80.55/tesis/000140657.pdf > Acesso em: 22/10/2019 
 
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https://www.todamateria.com.br/conducao-termica/ > Acesso em: 22/10/2019 
 
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Disponível em: < http://www.ghinduction.com/sobre-aquecimento-por-
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HESSEL, R.; FRESCHI, A. A.; SANTOS F. J. Lei de indução de Faraday: Uma 
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22/10/2019 
 
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