Indukční generátor

Indukční generátor slouží jako zdroj elektromagnetické energie pro indukční ohřev vodivého materiálu. Předmět z vodivého materiálu – nejčastěji kovu – je umístěn do střídavého elektromagnetického pole cívky, která je buzena výkonovým elektronickým generátorem. V kovovém materiálu se indukují vířivé proudy, jejichž působením dochází k ohřevu. Větší předměty se ohřívají prostřednictvím pole o nižších kmitočtech, pro ohřev menších a tenkostěnných předmětů se využívají vyšší kmitočty. Používané kmitočty leží v rozsahu od 50Hz do desítek až stovek kHz. Budící generátor vysílací cívky je tak v podstatě výkonný dlouhovlnný až středovlnný vysílač. Z toho vyplývá, že generátor může být velmi výkonným zdrojem rušení a při jeho konstrukci je nutno přísně dodržovat normy a zásady elektromagnetické slučitelnosti. [1]

Výhodou použití indukčních generátorů pro ohřev je vyšší účinnost a rovnoměrnost přenosu energie a ohřev pouze vodivých předmětů.

Obr. 1: Příklad zapojení elektroniky indukčního ohřevu [3]

Možnosti využití

• Ruční přístroje pro ohřev menších předmětů – výkon stovky W až jednotky kW. 
• Indukční pec – výkon jednotky až stovky kW. Využívají se v metalurgii pro tavbu kovů, menší pece slouží k tavbě drahých kovů (využití ve stomatologii) apod. 
• Indukční vařiče a sporáky – výkon stovky W až jednotky kW.

Obr. 2: Indukční tavicí pec [4]

Princip indukčního vařiče

Plotýnka (varná zóna) vařiče obsahuje cívku, která je napájena velkým střídavým elektrickým proudem. Cívka je z měděného drátu, což je velmi dobrý elektrický vodič a nedochází v něm k velkým ztrátám. Cívka je buzena elektronickým generátorem a vzniká magnetické pole, které vytváří teplo dvěma různými způsoby:

• Působením magnetického pole na elektricky vodivé dno nádoby se v nádobě indukují vířivé proudy, které se díky elektrickému odporu nádoby mění na teplo.
• Menší část tepla lze také získat ze ztrát působených hysterezí feromagnetického materiálu nádoby při jeho magnetizaci. Vzniká tak ale méně než 10% celkového tepla.

Od ohřáté nádoby se později ohřeje i její obsah.

Obr. 3: Princip indukčního vařiče [5]

Cívka generující indukční tok má mnoho závitů, kdežto spodek hrnce je ve své podstatě jediný zkratovaný závit. Soustava cívka-hrnec funguje jako transformátor, který sníží napětí a zvýší proud procházející materiálem hrnce. Ostatně celý přenos elektrické energie z cívky do elektricky vodivé nádoby a vznik tepla je podobný nežádoucím ztrátám v transformátoru_.

Obr. 4: Indukční vařič zevnitř [6]

Většina indukčních vařičů používaných v praxi je navržena pro nádobí z feromagnetického materiálu. Principiálně je možné zkonstruovat indukční vařič fungující s jakýmkoli elektricky vodivým, a dokonce i nemagnetickým (například hliníkovým či měděným) nádobím. Ocel a železo ale mají mnohem vyšší permeabilitu. Vysoká permeabilita materiálu nádoby v kombinaci s frekvencí, kterou jsou napájeny cívky, umožňují nastavit hloubku vniku magnetického pole do dna nádoby. Uplatňuje se zde takzvaný skin efekt. Vířivé proudy se mohou ve feromagnetickém materiálu nádoby uzavírat a díky vysokému elektrickému odporu železa (vyšší odpor je v tomto případě výhodný) materiál hrnce zahřívají. Indukční vařič nemůže fungovat s elektricky nevodivým nádobím (např. sklo nebo keramika).

Obr. 5: Pohled na indukční vařič ze strany [6]

Indukční sporáky jsou rychlejší a energeticky efektivnější než tradiční elektrické sporáky, navíc umožňují přesnou regulaci výkonu plotýnky podobně jako plynové vařiče. Pro povrch vařiče bývá použit materiál se špatnou tepelnou vodivostí. Na rozdíl od tradičních sporáků je ohřívána přímo nádoba (nikoliv okolí), což snižuje možnost popálení. Nejvyšší teplotu při indukčním vaření má obvykle nádoba, nikoliv rozžhavená plotýnka jako u elektrického ohřevu nebo plamen plynového hořáku.

Díky tomu, že teplo je generováno indukovaným elektrickým proudem, může vařič rozpoznat, že nádoba byla odstraněna nebo její obsah vyvřel, neboť taková událost se projeví změnou proudu a napětí cívky vařiče. Je tak možné realizovat funkce jako udržování teploty varu a automatické vypnutí při odstranění nádoby. [2]

Výhody

• Indukční ohřev poskytuje řadu výhod ve srovnání s ohřevem plynem či vařiči s odporovou spirálou. Mezi výhody lze zařadit velmi rychlý ohřev, lepší účinnost přenosu tepla, rovnoměrnost ohřevu a lepší kontrolu ohřevu. V situacích, kdy není možné použít standardního ohřevu, je indukční ohřev naprosto ideální, neboť sám o sobě negeneruje vůbec žádné teplo.
• Doba, za kterou je možné uvést hrnec vody do varu, je závislá na výkonu vařiče a množství vody. Indukční vařič o výkonu 3600 W uvede hrnec vody do varu během tří minut, kdežto vařič o výkonu 1200 W bude na stejné množství vody potřebovat deset minut. Výkonnost indukčního vařiče se projeví například při smažení na tenké pánvi. Na této se několik lžiček oleje ohřeje na smažící teplotu za pouhých deset sekund.
• Indukční vařiče se také mnohem snadněji čistí, neboť jejich povrch je plochý a hladký nezávisle na tom, kolik indukčních zón je do něj vestavěno.

Nevýhody

• Indukční vařiče mají také své nevýhody. Jedna z největších nevýhod je nutnost použití nádobí vyrobeného z magnetických materiálů. Přitom nádobí vyrobené z mědi či hliníku má mnohem lepší tepelné vlastnosti než nádobí vyrobené z oceli či železa. Díky lepší tepelné vodivosti dochází k lepší a rovnoměrnější distribuci tepla. Také nádoby vyrobené z nerezavějící oceli nemusejí být vždy vhodné. Často se doporučuje použití nádob se sendvičovým dnem. Ty mají dno tvořené vrstvami nerezové oceli, mezi které je vložena deska z běžné, feromagnetické oceli.
• Indukční vařiče fungují nejlépe s nádobím s plochým dnem. Pánve s kulatým dnem (wok) nebudou fungovat správně na plochém vařiči. Proto už se vyrábí indukční vařiče s prohlubní pro wok pánve.
• Pro lidi se srdečními stimulátory a defibrilátory může indukční vařič znamenat nebezpečí - velké indukční proudy mohou ohrozit jakoukoliv elektroniku. Existuje riziko ohřátí různých kovových řetízků, náramků či prstenů.
• Indukční vařiče jsou dražší než standardní vařiče s odporovou spirálou.
• Indukční vařiče jsou hlučné. Hluk vzniká vinou ventilátoru chladícímu elektroniku a dále pak brněním cívky.

Ekonomika provozu a dopady na životní prostředí

Podle amerického Úřadu pro energii je účinnost přenosu energie u indukčního ohřevu 90 %. U neindukčního ohřevu s plochým povrchem je účinnost přenosu 71 %. To znamená přibližně 20 % úsporu energie pro stejné množství přenesené energie.

Pro vyhodnocení dopadů na životní prostředí je třeba uvážit celý cyklus, který začíná již výrobou elektrické energie. Pokud se vezme v úvahu celková účinnost počínaje výrobou elektrické energie, jejího přenosu a finálně její přeměny na teplo, tak účinnost indukčního vařiče je srovnatelná s vařením na plynu. Účinnost výroby elektrické energie vyrobené z plynu či uhlí se pohybuje kolem 33 % (v současné době se takto vyrábí kolem 80% elektrické energie). Ztráty během přenosu energie se pohybují kolem 5 %, což dává celkovou účinnost kolem 28 % . Vaření na plynovém vařiči má účinnost kolem 33 % a ztráty přenosu tepla do jídla se pohybují kolem 6 %, což dává celkovou účinnost 27,9 %. Máme-li spočítat jednotlivé účinnosti jedná se o součin účinnosti elektrárny, účinnost přenosu a účinnost instalovaných elektrických zařízení.

Př:

Účinnost indukčního ohřevu:        η₁ = ηv * ηs * ηs_p1 = 0,33 * 0,95 *0,90 = 0,282  převod na procenta  28,2%

Účinnost infa ohřevu:                    η₂ = ηv * ηs * ηs_p2 = 0,33 * 0,95 *0,6 = 0,188    převod na procenta  18,8%

kde η₁ η₂        účinnosti jednotlivých ohřevů

ηv                     účinnost elektrárny

ηs                     účinnost přenosu

ηs_p1  ηs_p2        účinnost jednotlivých spotřebičů

Technologie	Účinnost	Čas potřebný k ohřátí 1,9 litru vody	Energie potřebná k přivedení 2 litrů vody do varu (z 20 °C)
Indukční vařič	83 až 90 %	4 minuty 46 sekund	745 kJ
Infra vařič	60 %	9 minut 0 sekund	1120 kJ
Topná spirála či litinový vařič	45 %	8 minut 0 sekund	1490 kJ
Plyn	55 %	6 minut 2 sekund	1220 kJ

Poznámka: V tabulce je brána v úvahu pouze účinnost samotného vařiče. Nebere v úvahu účinnost výroby a přenosu distribuční soustavy plynu a elektřiny.

Zdroje

[1] Wikipedie. Indukční ohřev [online]. [cit. 2014-7-27]. Dostupný na www: http://cs.wikipedia.org/wiki/Induk%C4%8Dn%C3%AD_oh%C5%99ev

[2] Wikipedie. Indukční vařič [online]. [cit. 2014-7-27]. Dostupný na www: http://cs.wikipedia.org/wiki/Induk%C4%8Dn%C3%AD_va%C5%99i%C4%8D

Obrázky

[3] Autor neznámý. Indukční ohřev III s IGBT [online]. [cit. 2014-7-27]. Dostupný na www: http://danyk.cz/induk3.html

[4] LAC, s.r.o. Firemní webové stránky [online]. [cit. 2014-7-27]. Dostupný na www: http://www.lac.cz/produkty/katalogove-pece-susarny/prumyslove-pece-slevarny/indukcni-tavici-pec-0-3-13/

[5] Gorenje spol. s r.o. Firemní webové stránky [online]. [cit. 2014-7-27]. Dostupný na www: http://www.mora.cz/prakticke-tipy/co-je-dobre-vedet-o-indukcnich-deskach-mora/detail/

[6] Wikipedie. Indukční vařič [online]. [cit. 2014-7-27]. Dostupný na www: http://cs.wikipedia.org/wiki/Induk%C4%8Dn%C3%AD_va%C5%99i%C4%8D