Induktionskochfeld

aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
Wechseln zu: Navigation, Suche

Ein Induktionskochfeld ist ein Kochfeld, bei dem das metallische Kochgeschirr durch induktiv erzeugte Wirbelströme sowie Ummagnetisierungsverluste erwärmt wird.

Wirkungsweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

eine Einbaukochstelle mit 4 Induktionskochfeldern und Glaskeramik-Oberfläche unterscheidet sich im ausgeschalteten Zustand optisch nicht von einem konventionellen Glaskeramik-Elektrokochfeld

Die Leistung wird in Form eines magnetischen Wechselfeldes durch eine isolierende, kalte Platte (meist Glaskeramik) hindurch in den Boden des Kochgeschirrs (Eisenlegierung) übertragen und dort aufgrund von induzierten Wirbelströmen und Ummagnetisierungsverlusten[1] in Wärme umgewandelt.

Unterhalb der Kochfläche befindet sich eine von einem Hochfrequenz-Strom durchflossene Spule, die das magnetische Wechselfeld erzeugt. Die dabei übliche Frequenz liegt im Bereich von etwa 20 bis 100 kHz.

Obwohl Induktionsbeheizung wie beim Induktionsofen auch bei anderen leitfähigen Topfböden (z. B. auch solchen mit Kupferboden) funktionieren würde, müssen Töpfe und Pfannen für Induktionskochplatten am Boden außen zumindest eine Schicht aus ferromagnetischem Material (meist eine rostfreie Eisenlegierung) besitzen. Die Gründe dafür sind:

  • Ferromagnetisches Material im Topfboden bündelt das magnetische Wechselfeld dort.
  • Das magnetische Feld erzeugt aufgrund des Skineffektes Wirbelströme in einer dünnen Außenschicht des Topfbodens. Aufgrund des vergleichsweise großen ohmschen Widerstandes des ferromagnetischen Materials sowie aufgrund des Skineffektes kann der größte Teil der elektrischen Leistung in Wärmeleistung umgesetzt werden, da der ohmsche Widerstand der Spule im Gegensatz dazu klein ist (der Wirbelstrom im Topfboden ist etwa ebenso hoch wie die Durchflutung der Induktionsspule)
  • Ein weiterer Teil der in den Topfboden eingebrachten Energie wird durch den Ummagnetisierungsverlust (Hysterese) in thermische Energie gewandelt. Dies entspricht etwa 1/3 der Heizleistung.[2]
  • Da keine Kochplatte - wie beim konventionellen Elektroherd - erhitzt werden muss, um erst von ihr die Wärme in den Topfboden zu leiten, ist die Effizienz des Induktionsverfahrens bei kurzen Koch- und Bratvorgängen höher[3]

In nicht ferromagnetischen Topfböden würde das Magnetfeld weniger gebündelt und könnte sich somit stärker im Raum ausbreiten. Dies könnte zu unerwünschter Wechselwirkung mit der Umgebung der stromdurchflossenen Spule führen: Elektromagnetische Umweltverträglichkeit

Ferromagnetisches Material ist daran zu erkennen, dass ein Magnet an ihm haften bleibt.

Das Material muss für einen guten Wirkungsgrad der Wandlung elektromagnetischer in Wärmeenergie einen deutlich höheren spezifischen elektrischen Widerstand aufweisen als das gut leitende HF-Kupfer der Induktionsspule. Das ist bei Eisenlegierungen meistens der Fall. Induktionstaugliches Kochgeschirr erfüllt diese Bedingungen normalerweise und lässt sich am Symbol, das die Drahtwendel einer Spule in einem Quadrat zeigt, auf dem Topf- oder Pfannenboden erkennen. Dieses Symbol hat jedoch keine Funktionsgarantie. Man kann einen Topf nur im Praxistest auf Induktionstauglichkeit prüfen. Dabei sind dickere Böden für eine bessere Wärmeverteilung vorteilhaft.

Die meisten Induktionskochfelder schalten das Erregerfeld automatisch aus, sobald sich kein, ein zu kleiner oder ein ungeeigneter Topf auf dem Kochfeld befindet.
Allerdings kann sich die Elektronik von einem aufliegenden metallischen Gegenstand, den sie für einen Topf hält, täuschen lassen.

Aufbau[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Induktionskochplatte ohne Abdeckung:
Sichtbar ist die große Kupferspule, darunter die Elektronik; rechts oben: Netzfilter; unten rechts: Ventilator zur Kühlung; links unten: blaue Kondensatoren des Resonanzkreises; unten, montiert am Aluminium-Kühlkörper: IGBT; links oben: Hilfsspannungsversorgung; weißer Knopf in der Mitte: Temperatursensor

Eine große, flache, einlagige Spule aus Hochfrequenzlitze erzeugt das hochfrequente magnetische Wechselfeld unter der Kochfläche. Sie bildet mit Kondensatoren einen Schwingkreis, der von einem oder mehreren IGBT (Schalttransistor) in Resonanz versetzt wird (Resonanzwandler oder Royer-Konverter).

Für die Leistungssteuerung gibt es verschiedene Schaltungskonzepte:

  • Die Transistorschalter werden aus einem regelbaren Gleichspannungszwischenkreis gespeist. Die Gleichspannung wird über steuerbare Halbleiterdioden (Thyristoren) aus der Netzwechselspannung gewonnen.
  • die Anregungsfrequenz wird variiert - wenn sie außerhalb der Resonanz liegt, sinken Spulenstrom und Leistung
  • Es wird eine Pulsweitensteuerung angewendet, die die volle Leistung ein- und ausschaltet (Frequenz etwa 0,5 Hz). Der Verlauf von Ein- und Ausschaltzeit bestimmt die Heizleistung.

Vor- und Nachteile[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Reaktionszeit ist kurz, das Kochgut erhitzt sich sehr rasch. Dadurch lässt sich der Kochvorgang besser steuern als bei einem Herd mit elektrischen Kochplatten.

Ein Teil der elektrischen Energie geht jedoch verloren, weil nur ein Anteil von 80%...90% in ein magnetisches Feld verwandelt werden kann, auch wenn das Kochfeld komplett durch den Topf- oder Pfannenboden bedeckt ist. Der Anteil an nicht genutzter Energie durch Konvektion, Wärmestrahlung und Wärmeleitung in der Kochstelle ist jedoch geringer als bei konventionellen Herdtypen, da die vorherige Erwärmung der Kochplatte entfällt. Halogenkochfelder sind jedoch trotz der zu erwärmenden Heizwendeln in vielen Einsatzfällen ebenbürtig oder effizienter. Beim Ankochen wird bis zu 30 % Energie gespart.[4]

Die Kochfläche bleibt unter und neben dem Topf kühl. Die Glasfläche unter dem Topf wird nur sekundär durch den Kontakt mit dem Topf erwärmt. Lebensmittelreste können somit nicht auf dem Kochfeld einbrennen, was zu einer einfacheren Reinigung führt. Nach längerer Kochzeit wird zwar auch die gläserne Kochfläche heiß, das Verletzungsrisiko ist aber geringer.

Kompatibilitätszeichen

Auf einem Induktionskochfeld können nur magnetisierbare Töpfe verwendet werden. Alle nichtmetallischen sowie nicht magnetisierbare Gefäße aus Edelstahl oder Nichteisenmetallen sind ungeeignet.

Zur Kühlung der Elektronik des Kochfeldes ist meist ein Lüfter eingebaut. Der Kochvorgang macht aufgrund subharmonischer Untertöne und der Modulation der Arbeitsfrequenz hörbare Geräusche wie Zirpen und Brummen. Hunde und Katzen können evtl. auch die Grundfrequenz der magnetischen Kräfte (das Doppelte der Arbeitsfrequenz) hören.[5]

Induktionskochplatten rentieren sich gegenüber den konkurrierenden Verfahren Gas, Glaskeramik und Strahlungsheizung (Halogenkochfeld) aufgrund der hohen Anschaffungskosten nur manchmal. Sie haben jedoch laut Umweltinstitut München die beste Energieeffizienz.[6]

Die Risiken der Elektromagnetischen Verträglichkeit werden in folgenden Kapiteln beschrieben.

Elektromagnetische Umweltverträglichkeit (EMUV)[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Das Bundesamt für Gesundheit der Schweiz ließ 2006/07 Induktionskochherde auf Einhaltung der ICNIRP-Referenzwerte für die Magnetfeldexposition untersuchen.[7] Grundlage der Festlegung der Referenzwerte der äußeren Felder sind Basisgrenzwerte für Feldstärken im Körperinneren, bei denen in der wissenschaftlichen Literatur ein Auftreten gesicherter gesundheitlicher Beeinträchtigungen veröffentlicht ist. Aus der niedrigsten inneren Feldgröße, bei der für den jeweiligen Frequenzbereich ein solches Auftreten beschrieben ist, werden unter der Voraussetzung der maximalen Kopplung des äußeren Feldes zur exponierten Person die Referenzwerte der äußeren Felder, hier der magnetischen Flussdichte, abgeleitet. Dabei fließt zusätzlich ein Sicherheitsfaktor ein, der auch die Datenqualität und individuelle Unterschiede der Empfindlichkeit berücksichtigt. Auch im ungünstigsten Fall kann der Referenzwert damit nicht zu einer Überschreitung des Basisgrenzwertes führen. Bei den in Induktionskochgeräten zur Anwendung kommenden Frequenzen ist eine im menschlichen Körper verursachte neuronale Erregung (Kribbeln, Muskelzucken u.ä.) ausschlaggebend. Die ICNIRP-Richtlinien von 1998 ermittelten aus den bis dahin veröffentlichten Untersuchungen mit einem Sicherheitsfaktor von 50 einen Referenzwert der magnetischen Flussdichte von 6,25 µT.[8] Die Richtlinien von 2010 konnten aufgrund der durch zwischenzeitliche Veröffentlichungen verbesserten Datenlage den Sicherheitsfaktor auf 10 reduzieren und legten den Referenzwert damit auf 27 µT fest.[9]

Die geprüften Geräte hielten bei bestimmungsgemäßem Gebrauch in 30 Zentimeter horizontaler Entfernung vom Gerät, entsprechend der geltenden Messvorschriften,[10] den Referenzwert von 6,25 µT der zu diesem Zeitpunkt geltenden ICNIRP-Richtlinien ein. Bei realistischen geringeren horizontalen Abständen wurde dieser Wert teilweise überschritten, im Abstand von 1 Zentimeter vor dem Gerät erreichte er maximal 10 µT, seitlich und hinten bis zu 26 µT. Infolgedessen empfehlen das Schweizer Bundesamt für Gesundheit und das deutsche Bundesamt für Strahlenschutz einen Mindestabstand von 5 bis 10 cm zur Vorderkante des Herdes.[11][12]

Oberhalb des Kochfeldes unmittelbar neben dem Kochgeschirr waren deutlich höhere Flussdichten bis 84 µT messbar. Bei nicht bestimmungsgemäßem Gebrauch durch Verwendung zu kleiner Kochgeschirre oder durch nicht auf die Kochzone zentrierte Positionierung, wodurch die Kochzone nicht vollständig abgedeckt wird, oder durch Verwendung von Kochgeschirren mit unebenem Boden oder solchen, die nicht ferromagnetisch sind, entstehen darüber hinaus noch stärkere Streufelder. Da den Referenzwerten die Annahme einer maximalen Kopplung, d.h. maximaler exponierter Körperquerschnitte, zugrunde liegt, was hier nicht gegeben ist, sind dennoch die Basisgrenzwerte nicht zwangsläufig überschritten. Um diese Frage zu klären, wurde Ende 2011 im Auftrag des Schweizer Bundesamts für Gesundheit eine weitere Studie zu den Wirkungen im menschlichen Körper durchgeführt.[13]

Durch die magnetischen Wechselfelder können im Prinzip Herzschrittmacher in ihrer Funktion beeinflusst werden. Auch wenn moderne Geräte gegen solche Störbeeinflussung geschützt sind, wird von den Herstellern empfohlen, mit einem Herzschrittmacher einen Mindestabstand von 40 cm von einem Induktionskochfeld einzuhalten.

Die Induktionsspule und die Pfanne darauf bilden einen elektrischen Kondensator. Bei eingeschalteter Induktionsspule wird die Pfanne elektrisch geringfügig auf- und fortlaufend umgeladen. Wird die Pfanne berührt, kann ein geringer Ableitstrom durch den Körper fließen. Um solche Ableitströme während des Kochens zu vermeiden, empfiehlt das schweizerische Bundesamt für Gesundheit die Verwendung nichtmetallischer Kochutensilien.[11] Moderne Induktoren werden gegen solche Ströme abgeschirmt. Dabei wird eine Graphitschicht auf das Deckblatt des Induktors aufgetragen. Diese Graphitschicht ist wiederum mit dem Erdanschluss verbunden. Bei älteren Induktoren kann es in dem Kochgeschirr zu Spannungen von über 200 V kommen. Das wird von Menschen an empfindlichen Stellen wie zum Beispiel Handrücken (Blutadern) als leichtes bis mittelstarkes Kribbeln empfunden. Nach der oben genannten Erdung darf die Spannung nicht höher als 30 V liegen.

Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV)[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Störemission

Induktions-Kochfelder arbeiten im unteren Langwellenbereich und emittieren elektromagnetische Wellen bei diesen Frequenzen. Die Arbeitsfrequenz liegt jedoch unterhalb ziviler Langwellensender (>100 kHz) und auch unterhalb der vereinbarten unteren Messgrenze zur Prüfung der Elektromagnetischen Störaussendung (150 kHz).

Jedoch kann es zu Wechselwirkung mit Funkuhren kommen, da diese in Deutschland auf der Frequenz 77,5 kHz arbeiten. Während der Synchronisation mit dem DCF77-Sender wäre diese Kommunikation möglicherweise gestört. Nach Abschalten des Kochfeldes sollte diese Störung aber nicht mehr bestehen.

Weitere Störungen bei höheren Frequenzen werden durch die Leistungshalbleiter (IGBT, Thyristoren) erzeugt; sie müssen hinsichtlich Netzrückwirkung (leitungsgebundene Störungen) und Abstrahlung so gering wie auch bei anderen Elektrogeräten sein und sind durch das CE-Zeichen vom Hersteller zugesichert.

Störimmunität

Induktionsherde enthalten komplexe elektronische Baugruppen und sind daher potentiell empfindlicher gegenüber transienten Überspannungen im Stromnetz als andere Elektroherde. Der Schutz der Elektronik durch geeignete Maßnahmen ist Aufgabe des Konstrukteurs und ebenfalls durch das CE-Zeichen zuzusichern.

Marktentwicklung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Historischer Induktionskocher, 1909
Verkaufszahlen in einigen europäischen Staaten mit Stand 2004.[14]
Land Verkaufszahlen 2004
Frankreich 170.000 Stück
Spanien 150.000 Stück
Portugal 42.000 Stück
Deutschland 30.000 Stück
Niederlande 27.000 Stück
Italien 5.000 Stück
Belgien 3.000 Stück
Polen 1.000 Stück
2005 wurden in Deutschland rund 80.000 Stück verkauft.
Anteil von Induktionskochfeldern am Gesamtabsatz von Ceran-Kochfeldern in Westeuropa[15]
Jahr Anteil
2004 12 %
2005 14 %
2006 18 %
2007 23 %
2008 28 %
2009 30 %
2010 34 %

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

 Commons: Induktionskochfeld – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Llorente S et al. A comparative study of resonant inverter topologies used in induction cookers. Seventeenth Annual IEEE Applied Power Electronics 2, 1168-1174. 2002
  2. herd.josefscholz.de
  3. http://www.energieinfo.de/energiesparen/energiespartipps_induktion_zum_kochen_energiesparend_einsetzen.html
  4. http://www1.miele.de/ex/microsite/de/induktion/produktvorteile/energieeffizienz.html Firmenschrift Miele
  5. ttps://www.test.de/Kochfelder-Induktion-kocht-schneller-1801889-0/
  6. http://www.br.de/radio/bayern1/inhalt/experten-tipps/umweltkommissar/wasser-wasserkocher-energie-umwelt-100.html
  7. Clementine Viellard, Albert Romann, Urs Lott, Niels Kuster: B-Field Exposure from Induction Cooking. Zürich : IT'IS Foundation, 2007
  8. Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit, Bundesamt für Strahlenschutz (Übers.); International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection: Richtlinien für die Begrenzung der Exposition durch zeitlich veränderliche elektrische, magnetische und elektromagnetische Felder (bis 300 GHz) (ICNIRP) (PDF; 401 kB). In: Horst Heller (Red.): Berichte der Strahlenschutzkommission. Heft 23 : Schutz der Bevölkerung bei Exposition durch elektromagnetische Felder (bis 300 GHz). Berlin : H. Hoffmann, 1999
  9. International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection: Guidelines for Limiting Exposure to Time-varying Electric and Magnetic Fields (1 Hz to 100 kHz) (PDF; 657 kB). In: Health Physics 99 (2010), Nr. 6, S. 818-836
  10. Euronorm EN 50366 „Verfahren zur Messung der elektromagnetischen Felder von Haushaltsgeräten und ähnlichen Elektrogeräten im Hinblick auf die Sicherheit von Personen in elektromagnetischen Feldern“, 2008 in Anpassung an die im Wesentlichen technisch identische internationale Norm IEC 62233 ersetzt durch die gleichnamige EN 62233
  11. a b Eidgenössisches Departement des Inneren, Bundesamt für Gesundheit: EMF-Faktenblatt Induktionskochherd
  12. Bundesamt für Strahlenschutz: Häufig gestellte Fragen zum Thema „Elektrische und magnetische Felder bei Haushaltsgeräten“ (Memento vom 18. Januar 2012 im Internet Archive) im Internet Archive, abgerufen am 9. Januar 2013
  13. BAG-Projekt Induzierte Felder und Ströme im Körper von kochenden Personen als Folge der Magnetfeldbelastung vor Induktionskochherden
  14. Elektrohändler 11/2005, Seite 32f., siehe auch Exklusive Trendprodukte mit viel Potenzial (Memento vom 24. Januar 2011 im Internet Archive)
  15. Induktionskochfelder - Anteil am Absatz Westeuropa 2010 | Statistik. In: Statista. Abgerufen am 19. August 2016.