Indukcyjna płyta grzejna - wyznaczanie sprawności sprzętu AGD

Transkrypt

1 ! UWAGA Politechnika Warszawska, Zespół Elektrotermii 013 Indukcyjna płyta grzejna - wyznaczanie sprawności sprzętu AGD W niniejszej instrukcji podano jedynie uproszczony opis zasad nagrzewania indukcyjnego w odniesieniu do popularnych urządzeń AGD.W celu lepszego poznania zjawisk występujących w tego rodzaju grzejnictwie należy skorzystać z innych źródeł oraz instrukcji laboratoryjnych dostępnych pod adresem Zespołu Elektrotermii PW. 1. Streszczenie Indukcyjne płyty grzejne pojawiły się na rynku AGD stosunkowo niedawno. Dziś stanowią grupę urządzeń coraz powszechniej wykorzystywanych, głównie dzięki szeregowi zalet. Panująca opinia o "zimnym grzaniu" oraz niewielkim zużyciu energii tych urządzeń jest słuszna, lecz jedynie w niektórych przypadkach. Niniejsze ćwiczenie umożliwia wykonanie kilku prostych eksperymentów umożliwiających zapoznanie się z budową płyt indukcyjnych oraz najbardziej charakterystycznymi warunkami ich eksploatacji. Wyznaczana będzie również sprawność tych urządzeń w porównaniu z technikami konkurencyjnymi (promiennikową i mikrofalową).. Wprowadzenie Na początku XX wieku zaczęły być sprzedawane komercyjne płyty indukcyjne przeznaczone do użytku domowego. Jest to czas dość odległy, w porównaniu z odkryciem praw indukcji elektromagnetycznej (M. Faraday 1831), stanowiących (łącznie z prawem Lentz'a) podstawę wszystkich procesów nagrzewania indukcyjnego. W skrócie, grzejnictwo to opiera się na wytwarzaniu energii cieplnej (zgodnie z prawem Joule'a) pochodzącej od prądów indukowanych (prawo Lentz'a oraz zjawisko wypierania prądu) w materiale przewodzącym umieszczonym w okolicy wzbudnika, w którym płyną zmienne prądy stanowiące źródła pola magnetycznego (prawo Ampere'a). Proces nagrzewania indukcyjnego wiąże ze sobą trzy podstawowe zagadnienia: indukcji elektromagnetycznej, efektów wypierania prądu i wymiany ciepła. W uproszczeniu, zasady wykorzystywane w tym grzejnictwie są spójne z równaniami opisującymi transformatory. Na rysunku 1 pokazano uproszczony model transformatora oraz odpowiadający mu przypadek nagrzewnicy indukcyjnej. Rys. 1. Schemat zastępczy transformatora.

2 W uproszczonym schemacie transformatora, prąd w uzwojeniu wtórnym jest wprost proporcjonalny do prądu w uzwojeniu pierwotnym, przy czym współczynnikiem proporcjonalności jest stosunek liczby zwojów (N 1 /N ). Przyjęto, że straty w uzwojeniach wynikają ze skończonej wartości ich konduktywności (opornik R L ). Pominięto strumień rozproszenia poprzez przyjęcie współczynnika sprzężenia M=1. W przypadku układów nagrzewnic indukcyjnych, możliwe jest przyjęcie, iż wtórne uzwojenie składa się jedynie ze zwartego, pojedynczego zwoju, dzięki czemu uzyskać można znaczne straty ciepła wynikające ze znacznych prądów. Prosta konstrukcja układu wzbudnik - wsad, zgodnie z omówioną zasadą podana została na rys. 1.c. Zazwyczaj urządzenia do nagrzewania indukcyjnego konstruowane są zgodnie z zasadą minimalizacji odległości pomiędzy wsadem i wzbudnikiem w celu zwiększenia sprzężenia między elementami. Wysoka sprawność nagrzewania możliwa jest przy materiałach nagrzewanych, charakteryzujących się wysokimi wartościami przenikalności magnetycznej i konduktywności. 3. Podstawy teoretyczne grzania Opis zagadnienia generacji ciepła w elementach sprzężonych magnetycznie wynika z podstawowych praw elektromagnetyzmu ujętych w postaci podanej przez Maxwella (1) (4). Analizie poddano przypadki słuszne dla następujących założeń: - środowisko jest jednorodne i izotropowe; -w rozpatrywanym obszarze brak jest prądów wzbudzających pole elektromagnetyczne oraz ładunków wzbudzających; - nie występują prądy konwekcji. D roth E (1) B rote () divd V (3) divb 0 (4) Gdzie: V - gęstość ładunku przestrzennego; B=H- wektor indukcji magnetycznej; D=εE- wektor indukcji elektrycznej; E- wektor natężenia pola elektrycznego; H- wektor natężenia pola magnetycznego; - czas; γ- konduktywność. Powyższe zależności stanowią podstawę fizyczną procesu indukcji elektromagnetycznej. Zmienny prąd we wzbudniku (o częstotliwości f) wytwarza w jego toczeniu zmienne pole magnetyczne, o tej samej częstotliwości (1). Natężenie pola magnetycznego zależne jest od wartości prądu wzbudnika, jego geometrii, oraz odległości. Prądy indukowane w materiale przewodzącym, znajdującym się w pobliżu wzbudnika, mają tę samą częstotliwość i przeciwne zwroty (), w stosunku do sygnału wymuszającego. Prądy te (1) generują własne pola magnetyczne, oddziałując z polem pierwotnym. Wypadkowe efekty związane z bilansem energetycznym, są zatem wynikiem szerokiej analizy wszystkich zjawisk występujących w układzie grzejnym wzbudnik wsad (UWW). Pełna analiza tego rodzaju zagadnień nie jest możliwa przy wykorzystaniu układu określonego zależnościami (1)

3 (4), z uwagi na większą liczbę niewiadomych niż równań. Dla ciał o parametrach liniowych i izotropowych słuszne są zależności określone zależnościami (5) - (7). D w 0 E (5) B r0h (6) J E (7) Gdzie: 0 - przenikalność magnetyczna próżni ( 0= H/m); r - przenikalność magnetyczna względna; ε 0 - przenikalność dielektryczna próżni (); ε w - przenikalność dielektryczna względna; J- wektor gęstości prądu. Przy uwzględnieniu uzupełniających zależności na wektory indukcji elektrycznej i magnetycznej, zależność (1) można przekształcić (uwzględniając ()) do postaci ujętej wzorem (8). H H rotroth (8) Ponieważ udowodniono słuszność równania tożsamościowego (9) oraz zachodzi związek ujęty zależnością (4), możliwe jest przekształcenie (8) do postaci ujętej wzorem (10). rotroth graddivh H 1 (9) H H H (10) Wykonując operację rotacji dla równania (), oraz uwzględniając (1), otrzymać można analogiczne do (10) równanie opisujące składową elektryczną (11). E E rotrote (11) Większość zagadnień nagrzewania indukcyjnego wykorzystuje pasmo częstotliwości 0 10 MHz. W tym zakresie, wartości prądów przewodzenia (7) w stosunku do prądów przesunięcia (J D =dd/d) są co najmniej o 10 rzędów wielkości wyższe dla przewodników. Na tej podstawie zależność (10) może zostać zapisana jako: H H (1) Podobnie, zależność (11) może być przekształcona do równania (13), będącego wektorowym równaniem przewodnictwa. 1 Wyprowadzenia wykonano przy uwzględnieniu założeń, że divb=0 oraz dive=0

4 E E (13) W materiałach przewodzących pola elektromagnetyczne ulegają silnemu tłumieniu, co powoduje nierównomierny rozkład pola i mocy. Wyznaczenie rozkładu pola elektromagnetycznego sprowadza się do rozwiązania zagadnienia brzegowego przy wykorzystaniu równań (1) i (13). Przy założeniu szczególnego przypadku sinusoidalnego kształtu fali prądu we wzbudniku, opis zjawisk występujących w nagrzewanym indukcyjnie materiale jest podany nieliniowym równaniem Helmholtza (14). H, T T H W, 0 H ( W, ) j (14) p Zależność typu (14) jest uniwersalna i umożliwia wykonywanie obliczeń, zarówno dla stanów ferromagnetycznych, jak i dla ciał niemagnetycznych. W pierwszej grupie zagadnień podawana jest różniczkowa postać przenikalności magnetycznej. W zagadnieniach dla ciał niemagnetycznych, wartość przenikalności jest stała, na poziomie 0. Analizując podstawowy przypadek padania fali płaskiej na półprzestrzeń przewodzącą (rys. a), rozwiązanie równania (14), przy założeniu znanego natężenia pola magnetycznego na powierzchni płyty (x=0, H y =H 0 ), przyjmuje postać zależności (15). p H y x x j H 0 e e (15) Wielkość, zastępcza głębokość wnikania (16) określa szybkość tłumienia wielkości energetycznych (E, H, J) charakteryzujących pole elektromagnetyczne. (16) Rys.. Płyta nieskończenie rozciągła (a) w polu wzdłużnym oraz wartości H, J oraz p v Wartość gęstości prądu oraz mocy grzejnej możemy wyrazić posługując się wcześniejszymi zależnościami jako (17) i (18). Powszechną praktyką w nomenklaturze grzejnictwa indukcyjnego jest ujmowanie dia- i paramagnetyków w jednej grupie materiałów niemagnetycznych.

5 J dh 1 j H e dx J z roth 0 x x j e (17) p V x H0 e J (18) Z zaprezentowanych zależności widać, że w miarę przesuwania się wgłęb płyty, amplitudy H oraz J maleją wykładniczo - tym szybciej, im mniejsza jest głębokość wnikania. Fala we wsadzie praktycznie zanika na głębokości kilku δ. Na przykład amplitudy H i J przy x=δ maleją do 1/e=0,37, a przy x=δ do 1/e =0,14 wartości powierzchniowej. Moc maleje dwukrotnie szybciej, więc ciepło wydziela się jedynie w przypowierzchniowej warstwie materiału nagrzewanego indukcyjnie. Zależność na moc objętościową (18) jest podstawą obliczeń cieplnych, wykonywanych zazwyczaj przy wykorzystaniu podstawowej zależności Fouriera - Kirchoffa (19). c t div t gradt ct t Vgradt pv (19) t t Nawet podstawowe zależności uwidaczniają, iż obliczanie układów grzejnych wymaga prowadzenia sprzężonych obliczeń elektromagnetyczno - cieplnych. Jest to zazwyczaj zadanie o wysokim stopniu komplikacji, zwłaszcza dla układów o nieliniowych parametrach materiałowych oraz skomplikowanej geometrii. Zagadnienia te wykraczają poza zakres niniejszej instrukcji. 4. Topologia indukcyjnych urządzeń grzejnych Współczesne urządzenia do nagrzewania indukcyjnego oparte są o wykorzystanie półprzewodnikowych falowników prądu lub napięcia. W klasycznych rozwiązaniach, wykorzystujących tak zwane twarde przełączanie, prądy są załączane i wyłączane przy pewnych wartościach napięć występujących podczas łączeń (rys. 3). W tego typu warunkach występują znaczne straty łączeniowe, mogące być oceniane za pomocą zależności 0. Rys. 3. Przebiegi napięć i mocy strat na tranzystorze łączeniowym P SL 1 U SW I SW f ON OFF (0)

6 Z zależności (0) bezpośrednio wynika, iż wzrost częstotliwości roboczej jest jednym z czynników zwiększających straty łączeniowe. Dodatkowo, negatywne cechy twardego łączenia prowadzą do generacji zakłóceń elektromagnetycznych ze względu na znaczne wartości pochodnych di/dτ oraz du/dτ. Z drugiej strony, możliwość pracy przetworników przy wysokich częstotliwościach umożliwia ograniczenie rozmiarów transformatorów dopasowujących oraz filtrów. Straty łączeniowe mogą być skutecznie ograniczane poprzez stosowanie odpowiednich obwodów gaszących, łączonych równolegle z tranzystorami przełączającymi. Tym niemniej, w takich przypadkach całkowita moc strat pozostaje ta sama. Lepszym rozwiązaniem jest wykorzystanie tak zwanego "miękkiego" przełączania. W tego typu układach, tranzystory są wyzwalane oraz gaszone w chwili przejścia napięcia lub prądu przez zero. Mamy zatem dwie możliwości konstrukcji układów przełączających. Przełączanie przy przejściu napięcia przez zero prowadzi do eliminacji strat przy załączaniu, ze względu na zerową wartość napięcia w obwodzie podczas załączania. Drugi przypadek, łączenie przy zerowym prądzie prowadzi do eliminacji strat podczas wyłączania. Ze względu na mniejsze straty, w urządzeniach do nagrzewania indukcyjnego bardziej pożądane są przetworniki rezonansowe z przełączaniem w "zerze napięcia". Obwód rezonansowy przetwornika rezonansowego składa się z elementów RLC w dwóch możliwych konfiguracjach: szeregowej i równoległej (rys. 4). Rys. 4. Przykłady układów rezonansowych Przy założeniu prądu zmieniającego się sinusoidalnie (1) oraz napięcia na kondensatorze określonego zależnością () można w prosty sposób charakteryzować zależności energetyczne układów. Energia elektryczna jest gromadzona w cewce i transportowana do kondensatora (). E L i I sin (1) 1 LI LI sin () Podobnie, w uproszczony sposób można przedstawić energię gromadzoną w polu elektrycznym kondensatora (3). Rezonans pomiędzy elementami L-C wystąpi jeżeli energia będzie wymieniana między kondensatorem a cewką. W idealnym stanie rezonansu energia nie jest pobierana ze źródła zasilania (oprócz kompensacji strat). Energia w układzie wynosi zatem dokładnie tyle, ile potrafi zgromadzić cewka lub kondensator (stąd założenie o przyrównaniu energii zgromadzonej w C za pomocą L (3)). E C 1 I CU cos LI cos (3) C

7 Suma energii, która może być zgromadzona w cewce i kondensatorze może być określona zależnością (4). E I EC LI (sin cos ) LI (4) C L W stanie rezonansu mamy zatem do czynienia z równością reaktancji indukcyjnej i pojemnościowej (5). Oczywiście tylko w tym stanie prąd osiągnie wartość maksymalną. Jeżeli częstotliwość źródła energii będzie wyższa lub niższa od rezonansowej, prąd w obwodzie także zmaleje. X L 1 1 XC L f0 (5) C LC Impedancja charakterystyczna obwodu LC w stanie rezonansu jest łatwa do określenia (6). Tym niemniej, oczywiście bez rezystancji nie było by grzania indukcyjnego (bo skąd wzięły by się źródła ciepła?). Pewnym wskaźnikiem wyboru częstotliwości rezonansowej dla generatora jest wielkość określona zależnością (7), czyli dobroć układu (w tym przypadku szeregowego). Z 0 X L X C 1 L 0L (6) C C 0 0L : 1 Z0 Q R CR R 0 (7) Licznik tego wyrażenia jest zatem proporcjonalny do energii zgromadzonej w cewce, a mianownik jest proporcjonalny do energii "traconej" na grzanie w każdym z cykli. Krzywa rezonansowa dobrze ukazuje zależność pomiędzy prądem wyjściowym układu generacyjnego a częstotliwością. Widzimy, iż wszystkie nagrzewnice indukcyjne powinny pracować przy częstotliwości rezonansowej (lub możliwie blisko). Wtedy tylko mamy możliwość uzyskiwania dużych sprawności. Tym niemniej, jeżeli chcemy kontrolować moc wydzielaną w nagrzewanym indukcyjnie elemencie możemy przecież zmienić częstotliwość (18). Rys. 5. Charakterystyka układu rezonansowego Oczywiste jest, że poniżej częstotliwości rezonansowej nasz obwód będzie miał charakter pojemnościowy a powyżej indukcyjny. Jest pewną zasadą konstrukcji tych urządzeń, że przekształtniki tranzystorowe nie mogą pracować przy obciążeniu pojemnościowym a tyrystorowe - przy indukcyjnym. Układy buduje się zatem w taki sposób, by zapobiegać możliwości wystąpienia tych stanów. Poza tym, praca przy stałej

8 częstotliwości jest mało optymalna. Przecież zmieniając wsady powodujemy zmianę zastępczych parametrów obwodu (L i R zależą od wsadu). Typowe urządzenie do nagrzewania indukcyjnego składa się z komponentów pokazanych na rysunku 6. Rys. 6. Elementy współczesnego urządzenia do nagrzewania indukcyjnego Jak widać, sygnał z sieci jest prostowany a następnie generowany jest sygnał o wysokiej częstotliwości zasilającej wzbudnik. Najbardziej charakterystyczną operacją jest generowanie podwyższonej częstotliwości, co uzyskuje się w sprzęcie AGD na dwa sposoby: wykorzystując szeregowy półmostkowy konwerter, lub układ quasi-rezonansowy. Każda z wykorzystywanych topologii posiada zalety i wady. W przypadku konwertera półmostkowego, charakterystyczna jest prosta konstrukcja, niska cena oraz stabilność układu przełączającego. Jednak układ wymaga dwóch obwodów oraz zsynchronizowanych przełączeń. Rys. 7. Układ półmostkowy W przypadku układów quasi-rezonansowych występuje tylko jeden tranzystor, przez co układ jest mniejszy i łatwiejszy w obsłudze. Może występować także wspólna masa. Tym niemniej, układ jest mało stabilny pod względem częstotliwości.

9 Rys. 8. Układ quasi- rezonansowy Zaprezentowane rozwiązania są najczęściej wykorzystywane we współczesnych urządzeniach nagrzewania indukcyjnego średnich mocy. Z uwagi na stosunkowo wysokie częstotliwości nie ma potrzeby stosowania dodatkowych elementów skupiających strumienie magnetyczne. Sposoby sterowania mocą i charakterystyczne aspekty działania poszczególnych podzespołów będą przedmiotem badań podczas niniejszego ćwiczenia. 5. Sprawności urządzeń indukcyjnych Jak wykazano we wcześniejszych rozdziałach, urządzenia indukcyjne mogą być traktowane jako obwody elektryczne składające się z rezystancji i reaktancji. Zasada tworzenia takich obwodów jest znana i banalna - moc czynna, bierna i pozorna rzeczywistego urządzenia oraz jego "modelu obwodowego" powinny być takie same. W urządzeniach indukcyjnych moc czynna równa jest sumie mocy wydzielanych we wsadzie oraz wzbudniku (8). Na rysunku 9 pokazano układ wzbudnik - wsad i odpowiadający mu obwód elektryczny. P P 01 (8) C P w Rys. 9. Układ wzbudnik - wsad oraz odpowiadający mu schemat elektryczny Moc bierna ma trzy składniki, związane ze strumieniami magnetycznymi (rys. 9.a) przenikającymi przez szczelinę pomiędzy wsadem i wzbudnikiem (θ 0w ), strumieniem przenikającym uzwojenie wzbudnika (θ 1 ) oraz przenikającym wsad (θ w ) (9). QC Q1 Qw Q0w (9) Opisanym mocom i strumieniom można przypisać odpowiedni schemat zastępczy (na przykład szeregowy jak na rys. 9). Wartości poszczególnych elementów można wyliczyć w prosty sposób na podstawie zależności (30) - (34).

10 d1 - Rezystancja wzbudnika (odpowiada stratom P 01 ) R1 w Fr (30) l k w d1 - Reaktancja wewnętrzna wzbudnika X1 w Fx (31) l d1 dw - Reaktancja rozproszenia związana ze strumieniem θ 0w X 0w w 0 ( kn1 Fx ) (3) 4 l l d w - Rezystancja wsadu Rw w Fr Kr (33) l w w w d w - Reaktancja wsadu X w w FxK x (34) l w w w We wszystkich powższych zależnościach w jest liczbą zwojów wzbudnika, d- średnicą (wsadu lub wzbudnika); σ- konduktywnością l- wysokością a δ- głębokością wnikania fali e- m we wzbudnik lub wsad. Niestety, nasz "aparat matematyczny" jest odpowiedni dla nieskończonych wymiarów układu wzbudnik - wsad. Rzeczywiste wymiary układu grzejnego są liczone przy wykorzystaniu przeróżnych współczynników korekcyjnych (rys. 10). Widać, że analogicznie do transformatora wszystkie wielkości są transponowane na stronę wzbudnika (wymnożone przez w ). Każde z urządzeń elektrotermicznych charakteryzowane jest przez sprawność definiowaną zgodnie z zależnością (35), czyli jest to stosunek mocy czynnej wydzielonej we wsadzie, do mocy pobieranej przez wzbudnik. P P w w el (35) Pc P01 Pw Korzystając ze schematu zastępczego (rys. 9.b), można napisać sprawność elektryczną jako stosunek rezystancji wzbudnika i wsadu (36). I1 Rw Rw el (36) I R I R R R w 1 w Widzimy, że największe sprawności elektryczne mogą być w układach indukcyjnych osiągane przy wsadach o małych konduktywnościach (36), dużych przenikalnościach magnetycznych (δ we wzorze 30 i 33) oraz dużych średnicach wsadu (minimalizacja szczeliny powietrznej). W praktyce możliwe do osiągania sprawności elektryczne wahają się w granicach 0.5 (dla miedzi) do 0.96 (dla stali). Oczywiście są to wartości możliwe do osiągania przy dobrej organizacji układu i odpowiedniej częstotliwości (najczęściej dużej częstotliwości - by cała fala była wytłumiona (rozdział 1). Niestety, sprawność elektryczna to nie wszystko. Przy grzaniu występują straty cieplne, więc podstawowy bilans cieplny mówi, że moc dostarczona do układu (prądy wirowe 1 w

11 we wsadzie) jest równa sumie mocy użytecznej (akumulowanej we wsadzie) oraz mocy strat cieplnych (37). P D P P (37) Mogąc obliczyć moc (lub energię (38)) użyteczną (akumulacyjną) można ją podzielić przez moc (lub energię) na wejściu urządzenia i uzyskać całkowitą sprawność elektrotermiczną, która już nie jest tak wysoka. Q U U k S p mct t (38) gdzie: masa obiektu, c- ciepło właściwe, t k - temperatura końcowa, t p - temperatura początkowa. Zasady obliczania sprawności cieplnej, elektrycznej i elektrotermicznej stanowią wiedzę ogólną, wykorzystywaną dla wszystkich analizowanych w ćwiczeniu urządzeń grzejnych. Z punktu widzenia energochłonności procesów grzejnych, są to najbardziej istotne wskaźniki. 6. Badania W ramach eksperymentów wykorzystywana będzie płyta grzejna AGD, posiadająca dwa pola indukcyjne oraz dwa promiennikowe. Wykonanych będzie szereg badań, które umożliwią zapoznanie się z działaniem płyty indukcyjnej bez "zaglądania do środka" oraz wyznaczenie podstawowych charakterystyk energetycznych urządzenia Parametry elektryczne płyty indukcyjnej Do odpowiednich zacisków urządzenia podłączyć amperomierze, woltomierze oraz watomierze. Do naczynia wlać 600 ml wody. Naczynie umieścić na płycie indukcyjnej, wraz z czujnikiem temperatury wewnątrz. Cały układ powinien wyglądać następująco: Nastawić wartość mocy urządzenia na zadaną wartość pomiędzy "4" a "7". W tym podstawowym układzie nagrzewać wodę do wrzenia, notując wartości czasu, temperatury, prądów, napięć oraz mocy czynnych. Wyniki notować w tabeli według poniższego wzorca. Czas, s Temperatura Prąd - 1 Prąd - Napięcie 1 Napięcie Moc - 1 Moc - Wyniki powtórzyć dla naczynia napełnionego wodą w ilości 1000 ml.

12 Na podstawie wyników należy wyliczyć moc akumulacyjną (z zależności 38 podzielonej przez czas nagrzewania) oraz wartości schematu zastępczego (Rezystancję i reaktancję układu jako całości). Czy zmiana poziomu wody ma wpływ na zmierzoną wartość R oraz X? Dodatkowo należy wyznaczyć współczynnik mocy urządzenia. 6.. Wpływ odległości naczynia na moc grzejną i sprawność nagrzewania Naczynie napełnić V=600 ml wody i ustawić na płycie grzejnej, podobnie jak w poprzednim doświadczeniu. W tym przypadku jednak ustawić naczynie na nieprzewodzącej podstawie pomiędzy płytą a dnem naczynia. Podstawka jest wyposażona w dwa czujniki temperatury - od strony płyty i naczynia. Należy nastawić taką samą wartość mocy jak w przypadku poprzedniego doświadczenia. Podczas pomiarów notować wartości temperatur i czasu i parametrów elektrycznych. Wyniki umieścić w tabeli według wzorca: Czas, s Temperatura 1 Temperatura Temperatura 3 Napięcie Prąd Moc Na podstawie wyników wyznaczyć moc akumulacyjną oraz porównać jej wartość z doświadczeniem 6.1, porównując sprawności obu procesów grzejnych. Dodatkowo porównać charakterystyki nagrzewania z tego oraz poprzedniego doświadczenia. Czy odległość naczynia od płyty ma wpływ na charakterystyki nagrzewania? 6.3. Dlaczego trzeba grzać ferromagnetyk? Oczywiście kuchnia indukcyjna ma szereg zabezpieczeń, które mają za zadanie nie dopuścić do włączenia mocy, gdy na urządzeniu nie ma naczynia (ze względu na możliwość negatywnego oddziaływania na środowisko) oraz gdy naczynie wykonane jest z niewłaściwego materiału (ze względu na chęć grzania przy wysokiej sprawności). W celu sprawdzenia działania, na płycie położyć blachę aluminiową - załączyć grzanie. Czy urządzenie załączyło się? Jeżeli nie - należy skomentować, jak działa zabezpieczenie kuchni - czy jest to ogranicznik prądu (czyli moc jest zbyt duża), czy wręcz odwrotnie - moc jest zbyt mała? Nie zdejmując warstwy aluminium, położyć warstwę izolacyjną a na niej naczynie wypełnione wodą (analogicznie jak w doświadczeniu 6.. Włączyć grzanie. notować temperatury oraz wyznaczyć moce - wyniki porównać z punktem 6.. Czy aluminium nagrzewa się? Czy podkładka wpływa na moce użyteczne, czyli także sprawności układu? 6.4. Grzanie warstw cienkich Jak pokazywaliśmy w opisie naszej instrukcji, fala e-m padająca na środowisko przewodzące jest intensywnie tłumiona. Warto wiedzieć, na jakiej głębokości oraz, jak grubość warstwy nagrzewanej wpływa na sprawności grzania. Wykorzystać laminat miedziany jednostronny oraz dwustronny, z zamontowanymi czujnikami temperatury. Laminaty kłaść kolejno na płycie indukcyjnej. Elementy nagrzewać do temperatury nie przekraczającej 100 C. Notować temperatury oraz czas.

13 Czas 10 s 15 s 0 s 30 s 40 s Temperatura (laminat 1w) Temperatura (laminat w) Na podstawie pomiarów stwierdzić, z jaką falą mamy do czynienia oraz, czy jest ona tłumiona w jednej, czy w dwóch warstwach laminatu. Wykorzystać spożywczą folię aluminiową jako podkładkę pomiędzy płytą a dnem garnka wypełnionego V=600 ml wody (analogicznie do 6. i 6.3). Jeżeli zatem nasze aluminium jest cienkie, więc ma dużą rezystancję. Podczas pomiarów notować, analogicznie do 6.1, wartości czasu, temperatury, prądów, napięć i mocy czynnych. Wyniki nagrzewania porównać do 6.1. Poszczególne moce także należy porównać. Na podstawie wyników skomentować wpływ cienkiej folii aluminiowej na efekty grzania oraz sprawności urządzenia Wyznaczanie częstotliwości pracy płyty indukcyjnej. Wykorzystując oscyloskop oraz pojedynczy zwój sondy napięciowej (rysunek) mamy możliwość zaobserwowania prądu w układzie "imitującym" wsad. Pomiary wykonać dla dwóch przypadków: bez wsadu oraz z wsadem ustawionym na płycie. Określić częstotliwość pracy urządzenia oraz opisać sposób generacji impulsów w przypadku braku naczynia. Czy jest możliwe określenie, który z układów wykonawczych znajduje się w wykorzystywanym urządzeniu? 6.6. Regulacja mocy Wykonany transformator - w postaci dwóch zwojów i żarówki samochodowej położyć na płycie, wstawiając do środka garnek z wodą. Dołączyć także oscyloskop z sondą zawiniętą wokół zwoju z żarówką. Zmieniać moc i patrzeć na przebiegi - odnotować, w jaki sposób realizowana jest regulacja mocy urządzenia.

14 6.7. Prezentacja zjawiska lewitacji Wykorzystać obręcze z miedzi elektrolitycznej. Mierzyć wysokość lewitacji. Odpowiedzieć na pytanie, od czego zależna jest siła oddziaływania przewodników; 6.8. Wpływ rozproszenia Wyskalować promiennik podczerwieni w taki sposób, by możliwe było odnalezienie korelacji pomiędzy strumieniem świetlnym a mocą promiennika. Wykorzystać watomierz oraz element fotoczuły (fotorezystor) do pomiaru strumienia świetlnego (zgodnie z poniższym schematem). Po wyskalowaniu promiennika dołączyć go do transformatora oraz umieścić na płycie indukcyjnej. Do naczynia nalać V=600 ml wody. Ustawić na płycie indukcyjnej. Wykonać pomiary analogicznie jak w przypadku 6.1. Oprócz podstawowych parametrów, notować wartości strumienia świetlnego, które należy przeliczyć na wartość mocy czynnej. Wyniki notować w tabeli według rysunku powyżej. Wyniki porównać z pomiarami z p. 6.1 (czasy nagrzewania i sprawności). Czy odbiór energii przez promiennik ma wpływ na nagrzewania wody w naczyniu? Co dzieje się z energią rozpraszaną w urządzeniu? 6.9. Pomiary sprawności urządzenia promiennikowego Pomiary wykonywane będą analogicznie do 6.1. W tym jednak przypadku mamy do czynienia z nagrzewnicą promiennikową. Energia elektryczna zamieniana jest w cieplną (P=RI ) w źródle promieniowania. Strumień cieplny przekazywany jest na drodze promieniowania (39) do nagrzewanych elementów. P F1 T1 T (39) gdzie: φ- współczynnik konfiguracji, F- powierzchnia, ε- emisyjność, σ- stała promieniowania, T- temperatura. W naszym przypadku energia promieniowania zamieniana jest w ciepło zarówno w płycie grzejnej (pokrywie), jak i w dnie nagrzewanego obiektu. Mamy więc do czynienia z nagrzewaniem pośrednim oraz dość znacznymi stratami ciepła, co przekłada się na sprawność. Do naczynia wlać V=600 ml wody. Naczynie ustawić płycie promiennikowej. Notować wszystkie wielkości, analogicznie do p Porównać sprawności obu urządzeń. Wyznaczyć wartości współczynników mocy.