Kuchenka indukcyjna – szczegóły techniczne

W artykule pierwszym i drugim tej serii omówiliśmy podstawowe informacje o zasadach działania kuchenek elektrycznych, w szczególności kuchenek indukcyjnych, oraz wyjaśniliśmy wiele kwestii użytkowych. Niniejsza część trzecia jest przeznaczona dla dociekliwych elektroników.
Omawianie aspektów technicznych zacznijmy od zagadnień podstawowych, najłatwiejszych, ogólnych, ale też bardzo ważnych.

Wytwarzanie czy przekazywanie energii

W wielu opisach kuchenek indukcyjnych jest mowa o „wytwarzaniu energii” albo o „wytwarzaniu ciepła”. Są to określenia nieścisłe, ale można by te kwestie pominąć, bo dużo większe znaczenie mają inne szczegóły. Tak, ale nagromadzenie tego rodzaju nieścisłości powoduje zamęt i trudności ze zrozumieniem wielu innych kwestii kluczowych dla elektroniki.

Dlatego warto mieć jasność co do podstaw. A podstawą jest to, że według współczesnej wiedzy, energii nie można ani stworzyć, ani zniszczyć.

W praktyce mamy do czynienia nie z wytwarzaniem energii, tylko z jej rozmaitymi przemianami. W przypadku kuchenki indukcyjnej łańcuch tych przemian (przetwarzania) energii jest taki: z sieci energetycznej (zwykle 230 V AC) pobieramy energię niesioną przez napięcie i prąd zmienny. W kuchence mamy prostownik, co oznacza zamianę na energię prądu stałego (a przynajmniej jednokierunkowego). Następnie z użyciem elementów elektronicznych zamieniamy energię prądu i napięcia stałego na energię prądu zmiennego, ale o dość dużej częstotliwości. W większości tańszych kuchenek indukcyjnych częstotliwość pracy wynosi 24 kiloherców lub nieco więcej. Tylko w droższych kuchenkach częstotliwość jest większa, ale jedynie w bardzo nielicznych przekracza 100 kHz.

Można powiedzieć, że energia prądu zmiennego o takiej częstotliwości jest przez dużą cewkę indukcyjną zamieniana na energię pola magnetycznego.

Pole magnetyczne pośredniczy w przekazywaniu energii, ale tylko wtedy, gdy w zasięgu tego pola jest jakiś „odbiornik” – w tym wypadku metalowy garnek. Najprościej biorąc, szybkozmienne pole magnetyczne indukuje w przewodzącym dnie tego garnka napięcie, zgodnie z prawem indukcji Faradaya. A jeżeli w przewodniku wytwarzane jest napięcie, to płynie tam prąd elektryczny.

W dnie garnka mamy więc napięcie U i prąd I, a to oznacza, że przekazywana jest energia w tempie określonym przez moc (P = U × I). W zasadzie energia niesiona przez pole magnetyczne zamienia się na energię elektryczną, ale ponieważ mamy do czynienia z rezystancją, od razu cała ta energia elektryczna zostaje zamieniona na najmniej szlachetną formę energii – na energię cieplną. A to powoduje wzrost temperatury – grzanie najpierw dolnej części dna garnka, a potem dzięki przewodzeniu ciepła w dnie i ściankach garnka – także ścianek.

Z dna i ścianek energia cieplna jest przekazywana do składników potrawy w garnku. Tak mniej więcej wygląda łańcuch przekazywania energii.

Sprawność energetyczna

W wielu opisach znajdziemy stwierdzenie, iż inne rodzaje kuchenek są nieefektywne, ponieważ duża część ciepła marnuje się tam bezproduktywnie. To w dużej części prawda. Jednak elektronik wie, że bzdurą są stwierdzenia, że w kuchenkach indukcyjnych nie ma marnowania energii, co oznaczałoby ich 100-procentową sprawność.

O sprawności energetycznej mówimy przy przemianach różnych form energii oraz przy przekazywaniu energii na odległość. Właśnie omówiliśmy dość długi łańcuch przemian energii i na każdym etapie sprawność nie jest idealna. Już na etapie przetwarzania energii prądu zmiennego 230 V 50 Hz na napięcie stałe występują straty choćby w diodach prostowniczych. Potem występują jakieś straty w obwodzie rezonansowym, zawierającym główną cewkę i kondensator oraz straty w „napędzającym” tranzystorze IGBT.

W elementach samej kuchenki występują straty w postaci ciepła, dlatego w kuchenkach indukcyjnych są montowane niezbędne do rozproszenia ciepła radiatory i wentylatory chłodzące.

Bardzo interesująca, ale i trudna jest kwestia strat pola magnetycznego. Otóż generalnie w kuchence indukcyjnej wykorzystujemy tak zwane pole bliskie, cokolwiek by to znaczyło, zwane także polem reaktancyjnym.

Gdyby główna cewka i kondensator były idealne, to nie byłoby strat. Najprościej biorąc, w idealnym przypadku kuchenki bez garnka – odbiornika, porcja energii pulsowałaby – byłaby przekazywana na przemian między cewką, gdzie gromadzona jest w polu magnetycznym, a kondensatorem, gdzie gromadzona jest w polu elektrycznym.

W idealnym przypadku to pulsowanie odbywałoby się bez strat. Interesujące nas pulsujące pole magnetyczne „byłoby gotowe” przenosić energię, ale z „braku odbiornika” przenoszenia dalej by nie było, a występowałoby tylko pulsowanie porcji energii między cewką i kondensatorem.

Idealna kuchenka indukcyjna w spoczynku nie pobierałaby energii, a w jej idealnym obwodzie rezonansowym pulsowałaby porcja energii. Oczywiście rzeczywista kuchenka w spoczynku pobiera energię z sieci, bo występują straty, a choć na kuchence nie ma garnka, to zawsze są jakieś inne „odbiorniki”, a konkretnie jakiekolwiek przewodzące przedmioty w zasięgu pola magnetycznego.

Na pewno więc sprawność energetyczna kuchenki indukcyjnej nie jest idealna: część energii pobieranej z sieci nie podgrzewa potrawy w garnku, tylko podgrzewa elementy kuchenki.

W grę wchodzi też kwestia wypromieniowywania energii w postaci fal radiowych.

Czy kuchenka indukcyjna to nadajnik radiowy?

I tak, i nie!

W zasadzie jeżeli mamy obwód rezonansowy LC, pracujący z jakąś częstotliwością f, gdzie cewka wytwarza silne pole magnetyczne, to mamy do czynienia z nadajnikiem fal radiowych o częstotliwości f.

Tak, ale zmienne pole magnetyczne to nie są fale radiowe. To bardzo trudne zagadnienie, które będziemy stopniowo oswajać. Najprościej biorąc, fale radiowe to specyficzne, nierozłączne zestawienie zarówno pola magnetycznego, jaki i pola elektrycznego. Można powiedzieć, że fale radiowe to pole elektromagnetyczne, a nie magnetyczne.

Natomiast pole magnetyczne to tylko składowa pola elektromagnetycznego. Co teraz bardzo ważne, możemy wytworzyć pole magnetyczne bez pola elektrycznego. Tak jest, gdy przez cewkę przepuścimy prąd stały – wytworzymy stałe pole magnetyczne, bez pola elektrycznego.

W kuchence indukcyjnej przez główną cewkę płynie prąd zmienny, ale o stosunkowo małej częstotliwości, zwykle 24…25 kiloherców, czyli tuż powyżej pasma akustycznego. A zwykle o falach radiowych mówi się, gdy częstotliwość wynosi co najmniej 100…150 kHz (pomijamy egzotyczne zakresy zwane ELF, SLF, ULF, VLF).

(…) ciach!

To jest tylko początek, zapowiedź artykułu, którego pełna wersja ukazała się z numerze czerwcowym czasopisma Zrozumieć Elektronikę (ZE 6/2023). Czasopismo aktualnie nie ma wersji drukowanej na papierze. Wydawane jest w postaci elektronicznej (plików PDF). Pełna wersja czasopisma umieszczona jest na moim profilu Patronite i dostępna jest dla Patronów, którzy wspierają mnie kwotą co najmniej 10 zł miesięcznie. Natomiast niepełna, okrojona wersja, pozwalająca zapoznać się z zawartością numeru ZE 6/2023 znajduje się tutaj.

Piotr Górecki

 

Uwaga! Osoby, które nie są (jeszcze) moimi stałymi Patronami, mogą nabyć PDF-y z pełną wersję tego numeru oraz wszystkich innych numerów czasopisma wydanych od stycznia 2023, „stawiając mi kawę” (Cappuccino = 10 złotych za jeden numer czasopisma w postaci pliku PDF).
W tym celu należy kliknąć link (https://buycoffee.to/piotr-gorecki), lub poniższy obrazek

Następnie wybrać:
– jeśli jeden numer ZE – CAPPUCINO (10zł),
– jeśli kilka numerów ZE – WSPIERAM ZA. I tu wpisać kwotę zależną od liczby zamawianych numerów – wydań (N x 10zł),
Wpisać imię nazwisko.
Podać adres e-mail.
Koniecznie zaznaczyć: „Chcę dołączyć wiadomość dla Twórcy” i tu wpisać, który numer lub numery mam wysłać na podany adres e-mailowy.