KursyPoradnikiInspirujące DIYForum

Jak działa płyta indukcyjna? Czym są prądy wirowe?

Jak działa płyta indukcyjna? Czym są prądy wirowe?

Czy kuchenka indukcyjna, płyta indukcyjna, płyta elektryczna, indukcja i płyta ceramiczna to jedno i to samo, czy nie? Wątpliwości wynikają z faktu, że określenia te nie są precyzyjne.

Zacznijmy więc od rozróżnienia tych nazw, aby możliwe było wytłumaczenie, jak działa płyta indukcyjna i co warto o niej wiedzieć?

Czego dowiesz się z tego artykułu?

W tym artykule znajdziesz podstawowe informacje o płytach, czyli inaczej kuchenkach indukcyjnych, potocznie nazywanych indukcjami. Tekst ten nie promuje żadnych konkretnych płyt (ani garnków) i nie omawia zasad ich używania. Odpowiada za to na pytanie, jak działa płyta indukcyjna z punktu widzenia osoby zainteresowanej tym zagadnieniem od strony technicznej.

Okazuje się, że coraz częściej spotykane w naszych domach płyty – kuchenki indukcyjne nie tylko mają ścisły związek z transformatorami, ale że wręcz są transformatorami. Tylko dziwnymi, z bardzo nietypowym rdzeniem i bardzo nietypowym uzwojeniem wtórnym. Dlatego w zrozumieniu omawianych tu zagadnień pomocny będzie na pewno artykuł na temat tego, czym jest transformator.

Rodzaje płyt kuchennych

Odpowiedź na pytanie, jak działa płyta indukcyjna, należałoby zacząć od postawienia pytania bardziej ogólnego: o jakie płyty tu chodzi? Chodzi oczywiście o płyty grzewcze do gotowania i podgrzewania posiłków. Tu od razu powstaje pewien problem: w reklamach i opisach handlowych mamy do czynienia z co najmniej czterema rodzajami płyt kuchennych:

  1. Płyty gazowe
  2. Płyty elektryczne
  3. Płyty ceramiczne
  4. Płyty indukcyjne

Z płytami gazowymi problemu nie ma. Trzy pozostałe są zasilane elektrycznie i w sumie wszystkie można nazwać płytami elektrycznymi. Problem tkwi w tym, że te trzy określenia są wykorzystywane niekonsekwentnie. Niektórzy dzielą je na dwie grupy: płyty indukcyjne oraz płyty… no właśnie, albo elektryczne, albo ceramiczne. Inni rozróżniają trzy rodzaje: płyty indukcyjne, płyty ceramiczne i płyty elektryczne. Płytami elektrycznymi nazywa się wtedy te dużo starsze, klasyczne kuchenki elektryczne, wyposażone w żeliwne pola grzejne. Przykład takiej płyty widoczny jest poniżej.

Kuchenka elektryczna starego typu

Kuchenka elektryczna starego typu

Płytami ceramicznymi nazywane są płyty bez żeliwnych elementów, które wyglądają jak płyta szklana z zaznaczonymi miejscami grzania. Określenie „ceramiczna” może mylić, bo w sumie chodzi o rodzaj szkła, które też jest ceramiką. Przykład płyty ceramicznej widoczny jest poniżej.

Przykładowa płyta ceramiczna

Przykładowa płyta ceramiczna

Nie będziemy tu szczegółowo analizować różnic między płytami ceramicznymi i elektrycznymi. Warto jednak wiedzieć, że i jedne, i drugie mają taką samą, prostą budowę. Źródłem ciepła są najzwyklejsze grzałki elektryczne z drutu oporowego, zwykle mającego postać spirali, umieszczonej pod strefami grzania. Ciepło ze spiral jest przenoszone do nagrzewanego kuchennego garnka częściowo przez przewodzenie, a częściowo przez promieniowanie podczerwone. W niektórych płytach ceramicznych źródłem ciepła są żarówki halogenowe.

Źródłem ciepła w tego typu płytach są zwyczajne grzałki

Źródłem ciepła w tego typu płytach są zwyczajne grzałki

Inaczej jest w przypadku indukcji. Płyta indukcyjna jest skomplikowanym i kosztownym układem elektronicznym. Cała elektronika montowana jest pod powierzchnią szklanej (a więc ceramicznej) płyty wierzchniej. Przykład kuchenki indukcyjnej widoczny jest na fotografii poniżej.

Płyta indukcyjna z zewnątrz może wyglądać tak jak płyta ceramiczna

Płyta indukcyjna z zewnątrz może wyglądać tak jak płyta ceramiczna

Co dość istotne, wygląd zewnętrzny tanich płyt ceramicznych oraz dużo droższych płyt indukcyjnych może być praktycznie taki sam. Gdy kuchenka nie pracuje, nie sposób dostrzec różnic.

Jak działa płyta indukcyjna?

Płyta indukcyjna działa w sposób, który jest dość zaskakujący dla wielu osób. Na pewno wykorzystuje zjawisko indukcji, a dokładniej: indukcji elektromagnetycznej, gdzie istotnym parametrem jest indukcja magnetyczna (B). Natomiast nie wykorzystuje indukcji elektrycznej, bo to zupełnie inny parametr.

Najprościej rzecz biorąc, bez wątpliwości w kuchence indukcyjnej energia, która podgrzewa potrawy, jest przenoszona przez zmienne pole magnetyczne. Pobrana z sieci energia elektryczna zamieniana jest na energię zmiennego pola magnetycznego, a potem wydziela się w postaci energii cieplnej w objętości metalowego, magnetycznego garnka. Dalej energia cieplna z tak dziwnie podgrzewanego garnka jest przekazywana do zawartej w nim potrawy.

Dyskusyjne jest, czy powinno się mówić, że taka płyta wykorzystuje fale elektromagnetyczne – a takie sformułowanie znajdziemy w wielu miejscach. Nie będziemy też zagłębiać się w różnice między pojęciami indukcji magnetycznej i indukcji elektromagnetycznej. Zapewne doprowadziłoby to nas do tego, jak działa mikrofalówka, a to odrębny i szeroki temat.

Dla wielu zaskoczeniem może być fakt, że kuchenka indukcyjna to w sumie… transformator. I działa dokładnie tak jak każdy transformator. Tylko ma specyficzną budowę i pracuje przy dużo większej częstotliwości niż klasyczne transformatory sieciowe 50 Hz.

Wnętrze przykładowej płyty indukcyjnej

Wnętrze przykładowej płyty indukcyjnej

Fotografia powyżej pokazuje cewkę montowaną tuż pod powierzchnią szklanej płyty. To jest uzwojenie pierwotne transformatora. Ale nie widać uzwojenia wtórnego… W przypadku bardziej rozbudowanych płyt, np. takich z różnymi strefami, pod szkłem może znajdować się więcej cewek.

Przykład płyty indukcyjnej z większą liczbą cewek (zdjęcie: Matti Blume, CC BY-SA 4.0)

Przykład płyty indukcyjnej z większą liczbą cewek (zdjęcie: Matti Blume, CC BY-SA 4.0)

Wytwarzanie ciepła w garnku

Wiemy już, że kuchenka indukcyjna jest rodzajem transformatora, ale przydatna jest tutaj też wiedza na temat tego, jak działa ładowarka bezprzewodowa, bo tam również nie widać uzwojenia wtórnego. Tak jak w każdym transformatorze, tak i tutaj prąd zmienny płynący w uzwojeniu pierwotnym powoduje wytworzenie zmiennego pola magnetycznego wokół tego uzwojenia.

Cewka (uzwojenie), przez którą płynie prąd, wytwarza wokół siebie pole magnetyczne, ale energia nie jest przekazywana dalej ani wykorzystywana, ponieważ nie ma „odbiornika” tej energii. W typowym, klasycznym transformatorze funkcję tego „odbiornika” pełni uzwojenie wtórne. Mówimy, że pole magnetyczne indukuje w uzwojeniu wtórnym napięcie. A jeżeli powstaje tam napięcie, to może też tam płynąć prąd. Jeżeli występuje napięcie U i płynie prąd I, to możemy mówić o mocy P (P = U × I). Moc ta może wydzielić się np. w grzałce elektrycznej, jak ilustruje to rysunek poniżej.

Przykład przekazywania energii w celu wytworzenia ciepła za pomocą grzałki

Przykład przekazywania energii w celu wytworzenia ciepła za pomocą grzałki

W klasycznym transformatorze mamy uzwojenie wtórne i nie ma wątpliwości co do napięcia, prądu i mocy przekazywanej do grzałki z uzwojenia wtórnego. Wątpliwości są jednak w przypadku kuchenki indukcyjnej, gdzie nie widać ani uzwojenia wtórnego, ani grzałki.

Wykorzystanie wirów prądowych

Tutaj trzeba przypomnieć sobie kwestię strat i prądów wirowych w rdzeniu transformatora. Jest to problem, z powodu którego rdzenie klasycznych transformatorów nie są litym kawałkiem metalu (stali żelazokrzemowej), tylko są wykonywane w postaci mocno skręconego pakietu cienkich i – co ważne – izolowanych (farbą) blaszek.

Najprościej rzecz ujmując, metalowy garnek postawiony na pracującej płycie indukcyjnej staje się jednocześnie i uzwojeniem wtórnym transformatora, i jego rdzeniem. Zmienne pole magnetyczne ma tę właściwość, że indukuje napięcia i prądy zmienne we wszystkich elementach przewodzących (metalowych), gdzie tylko może płynąć prąd. Jeżeli w zmiennym polu magnetycznym umieścimy cewkę, to napięcia i prądy będą powstawać i płynąć w sposób, powiedzmy, kontrolowany, a indukowane napięcie i prąd można w łatwy sposób wykorzystać.

Jeżeli w tym zmiennym polu magnetycznym umieścimy jakikolwiek inny metalowy przedmiot, np. rdzeń transformatora, to też będą w nim się indukować napięcia i płynąć prądy. Tyle że w sposób, powiedzmy, nieuporządkowany, chaotyczny. Mówimy tu o tzw. prądach wirowych.

Prądy wirowe podgrzewają tylko metal, a nie szklaną płytę czy inny słabo przewodzący materiał

Prądy wirowe podgrzewają tylko metal, a nie szklaną płytę czy inny słabo przewodzący materiał

Jeżeli w metalowym przedmiocie indukują się jakieś napięcia U i płyną jakieś prądy I, to na pewno możemy mówić o jakiejś mocy P = U × I. Materiał, w którym te prądy płyną, ma jakąś rezystywność i rezystancję, więc moc przekazywana przez pole elektryczne od razu wydziela się w postaci ciepła w objętości materiału przewodzącego. Tak jest właśnie w rdzeniu transformatora, gdzie staramy się minimalizować te prądy wirowe przez podział rdzenia na wzajemnie izolowane cienkie blaszki. Mimo wszystko rdzeń transformatora trochę się grzeje.

A w postawionym na kuchence indukcyjnej metalowym garnku te prądy wirowe mogą płynąć swobodnie w objętości materiału, przede wszystkim dość grubego dna garnka, ale też w (cieńszych) ściankach. Płyną tam prądy wirowe o dużej częstotliwości – rzędu, powiedzmy, 100 kHz. Płyną przez rezystancję materiału garnka i powodują wydzielanie ciepła. Garnek się rozgrzewa.

Zalety i wady płyty indukcyjnej

Zaletą płyty indukcyjnej jest wysoka sprawność grzania – do 90%. Energia przekazywana przez pole magnetyczne nie grzeje szklanej płyty i innych materiałów nieprzewodzących, tylko od razu to, co trzeba – metalowy garnek. Natomiast w płytach ceramicznych część energii marnuje się z uwagi na grzanie zarówno płyty szklanej, jak i otoczenia – sprawność płyt ceramicznych jest znacząco mniejsza.

Niektórzy od razu pytają, ile prądu pobiera płyta indukcyjna. Rzeczywiście, to może być problem. Sumaryczna moc pobierana z sieci przez cztery pola dobrej płyty indukcyjnej to 5–8 kW, a to uniemożliwia zasilanie całości z jednej fazy. Dlatego niemożliwe jest skorzystanie ze wszystkich czterech pól grzewczych np. w blokach, w których do mieszkań doprowadzono tylko instalację jednofazową, a przydział mocy jest niewielki, rzędu 3–4 kW.

Płyta indukcyjna zużywa najwięcej prądu ze wszystkich urządzeń AGD

Płyta indukcyjna zużywa najwięcej prądu ze wszystkich urządzeń AGD

Kuchenki indukcyjne nie są urządzeniami trójfazowymi, ale dla równomiernego obciążenia instalacji dołącza się je do dwóch lub nawet trzech faz. I często bezpieczniki w obwodzie kuchenki indukcyjnej nie są 16-amperowe, tylko 20-, a nawet 25-amperowe.

Wadą kuchenek indukcyjnych do niedawna była przede wszystkim wysoka cena, która wynikała z obecności dość skomplikowanego układu elektronicznego, zawierającego potężne tranzystory mocy IGBT (ang. insulated gate bipolar transistor). Aktualnie ceny najtańszych płyt indukcyjnych są niewiele wyższe od płyt elektrycznych (ceramicznych).

Czy działanie płyty indukcyjnej jest szkodliwe?

Kwestie prawidłowej eksploatacji, różnic w sposobie gotowania, konieczności używania specjalnych garnków i pokrewne wykraczają poza ramy tego artykułu, który naświetla tylko podstawowe zagadnienia techniczne. Warto jednak podkreślić, że na ten moment w przeciwieństwie do kuchenek mikrofalowych nikt nie twierdzi, że płyty indukcyjne mają jakikolwiek szkodliwy wpływ na zdrowie.

Piece i nagrzewnice indukcyjne

Kuchenki indukcyjne pojawiły się w naszych domach stosunkowo niedawno – dopiero wtedy, gdy upowszechnienie potężnych tranzystorów typu IGBT spowodowało spadek cen do poziomu niewiele wyższego od prostszych kuchenek elektrycznych ze spiralami grzejnymi, dla których płyty indukcyjne są obecnie silną konkurencją.

Działanie przemysłowej nagrzewnicy indukcyjnej (zdjęcie: Qqshka, CC BY-SA 4.0)

Działanie przemysłowej nagrzewnicy indukcyjnej (zdjęcie: Qqshka, CC BY-SA 4.0)

Warto jednak wiedzieć, że w przemyśle dużo wcześniej wykorzystywano działające na opisanej właśnie zasadzie rozmaite piece i nagrzewnice indukcyjne. Warto również nadmienić, że hobbyści budują nagrzewnice indukcyjne o bardzo efektownym działaniu i że często są to zaskakująco proste układy, z dosłownie dwoma tranzystorami mocy.

Podsumowanie – co warto zapamiętać?

Koniecznie trzeba pamiętać, że płyta indukcyjna to rodzaj transformatora wysokiej częstotliwości. Tak jak w każdym transformatorze, energia jest przenoszona przez pole magnetyczne, a garnek postawiony na płycie staje się jednocześnie i rdzeniem transformatora, i jego uzwojeniem wtórnym. Prądy wirowe płynące w metalu podgrzewają garnek.

Czy wpis był pomocny? Oceń go:

Średnia ocena 4.7 / 5. Głosów łącznie: 120

Nikt jeszcze nie głosował, bądź pierwszy!

Artykuł nie był pomocny? Jak możemy go poprawić? Wpisz swoje sugestie poniżej. Jeśli masz pytanie to zadaj je w komentarzu - ten formularz jest anonimowy, nie będziemy mogli Ci odpowiedzieć!

Szczegółowe analizy dotyczące układu elektronicznego, tranzystorów IGBT, częstotliwości oraz rozkładu pola magnetycznego to stosunkowo trudne zagadnienia, które wykraczają poza ramy tego artykułu. Niemniej podstawowa zasada jest zaskakująco prosta, a zainteresowani znajdą w internecie liczne przykłady realizacji nagrzewnic indukcyjnych w wersji DIY.

Piotr Górecki

Jak działa drukarka laserowa?
Jak działa drukarka laserowa?

Drukarki laserowe na dobre zadomowiły się w naszych domach i firmach, mało kto zdaje jednak sobie sprawę, jak działa drukarka…... Czytaj dalej »

O autorze: Piotr Górecki

PG
Popularyzator elektroniki, konstruktor z ponad 30-letnim doświadczeniem, autor książek i tysięcy artykułów omawiających różne aspekty elektroniki.

indukcja, jtd, transformator

Trwa ładowanie komentarzy...