Induktionskochfeld

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

Wirkungsweise

Einbaukochstelle mit 4 Induktionskochfeldern und Glaskeramik-Oberfläche

Energie wird in Form eines elektromagnetischen Wechselfeldes auf den Boden des Kochgeschirrs übertragen und dort in Wärme umgewandelt.

Unterhalb der aus Glaskeramik bestehenden Kochfläche befindet sich eine stromdurchflossene Spule, die ein magnetisches Wechselfeld erzeugt. Dieses induziert in einem darüber platzierten metallischen Topf durch Induktion Wirbelströme, die das Metall des Topfes durch den ohm'schen Widerstand aufheizen. Die dabei übliche Frequenz liegt im Bereich von etwa 20 bis 50 kHz.

Obwohl Induktionsbeheizung prinzipiell bei allen metallenen (und damit elektrisch leitenden) Töpfen (z. B. auch solchen mit Kupferboden) funktioniert, wird für einen hohen Wirkungsgrad mit einem handelsüblichen Induktionskochfeld Kochgeschirr mit einem Boden aus ferromagnetischem Material (von lateinisch ferrum ‚Eisen‘) empfohlen. Die Gründe dafür sind:

• Ferromagnetisches Material im Topfboden bündelt das elektromagnetische Wechselfeld in demselben. Die eingekoppelte elektromagnetische Energie erzeugt Wirbelströme in den Außenflächen des Topfes. Aufgrund des ohm'schen Widerstandes des ferromagnetischen Materials wird ein großer Teil der elektrischen Energie (etwa 2/3 der Heizleistung) in thermische Energie umgesetzt.
• 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.
• Im nicht ferromagnetischen Topfboden wird das Magnetfeld weniger gebündelt und kann sich somit in stärkerem Maße im Raum ausbreiten. Dies kann zu ungewünschter 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

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; rechts oben: hellbraune Leiterplatte aus Hartpapier

Resonanzprinzip

Eine große, flache, einlagige Heizspule aus Hochfrequenzlitze erzeugt das hochfrequente magnetische Wechselfeld unter der Kochfläche. Sie bildet mit Kondensatoren einen Schwingkreis, der von IGBT-Schalttransistoren in Resonanz betrieben wird. Dafür gibt es verschiedene Schaltungskonzepte. Die Schalttransistoren werden zum Beispiel aus einem regelbaren Gleichspannungszwischenkreis gespeist. Die Gleichspannung wird über steuerbare Halbleiterdioden aus der Netzwechselspannung gewonnen. Mehrere Möglichkeiten gibt es für die Anregung des Resonanzkreises beispielsweise in Pulsweitensteuerung. Der Verlauf von Gleichspannung und Gleichstrom im Gleichspannungszwischenkreis bestimmt die Heizleistung.

Der verwendete Topf verändert nicht die Eigenschaften der elektrischen Resonanz im Gleichspannungszwischenkreis, hat jedoch Rückwirkungen auf den Stromfluss im Hochfrequenzkreis der Heizspule infolge der magnetischen Eigenschaften. Moderne Lösungen kompensieren solche Änderungen des Resonanzverhaltens im Hochfrequenzkreis über Messwerte aus den im Resonanzkreis liegenden Stromwandlern im Gleichspannungszwischenkreis.

Vorteile

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Da bei Induktionskochfeldern aufgrund ihrer Funktionsweise nicht nur der Boden des Kochgefäßes, sondern auch die Seitenwände erhitzt werden, wird die Wärme besser verteilt, und das Kochgut wird schneller erwärmt. Die Reaktionszeit ist sehr kurz, und das Kochgut erhitzt sehr rasch. Durch diese kurze Reaktionszeit lässt sich der Kochvorgang genauer dosieren als bei einem Herd mit elektrischen Kochplatten aus Gussstahl.

Nur ein sehr geringer Teil des elektromagnetischen Feldes bleibt ungenutzt, sofern das durch einen Kreisumriss gekennzeichnete Kochfeld komplett durch den Topf- oder Pfannenboden abgedeckt wird. Der Anteil an nicht genutzter Energie durch Konvektion, Wärmestrahlung und Wärmeleitung an der Kochstelle bleibt sehr gering. Der Energieverlust verlagert sich gegenüber dem Gaskochen weitgehend in die Gewinnung (Kraftwerk) und Übertragung der elektrischen Energie. Im Vergleich zum Gasherd wird weniger Energie durch Konvektion (durch die neben der Pfanne aufsteigenden warmen Gase) an die Umgebung abgegeben. Im Vergleich zum konventionellen Elektroherd mit Heizspirale oder Infrarotheizung wird dem Kochprozess deutlich weniger Energie durch Strahlung und Konvektion entzogen. Zudem wird das Kochgerät nicht durch thermische Strahlung und nicht durch Leitung über das thermisch schlecht leitende gläserne Kochfeld erwärmt: Wasser kocht schon, solange das gläserne Kochfeld noch kühler als 100 °C ist.

Die Kochfläche bleibt neben dem Topf kühl, da sie sich nicht selbst erwärmt und die Wärme nicht leitet. Die Glasfläche darunter wird einzig durch Konduktion, d. h. nur sekundär durch den Kontakt mit dem Topf, erwärmt (thermische Rückleitung und -strahlung des Topfes). Lebensmittelreste können somit nicht auf dem Kochfeld neben dem Topfboden einbrennen, was ein einfacheres Reinigen unterstützt. Nach längerer Kochzeit wird auch die gläserne Kochfläche so heiß, dass Verbrennungsgefahr besteht.

Nachteile

Kompatibilitätszeichen

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

• Zur Kühlung der weniger robusten Steuerelektronik des Kochfeldes ist meist ein Lüfter eingebaut, der – je nach Auslegung und altersbedingtem Verschleiß der Achslager – mehr oder weniger laut arbeitet. Jedoch übertönen die beim Kochen auftretenden Nebengeräusche (Dunstabzug, Zischen beim Braten, etc.) meist das Lüftergeräusch, so dass es nicht wahrgenommen wird.

• Je nach Verhältnis zwischen der Größe der Töpfe und der Induktionsspule sowie Ebenheit der Böden kann es infolge Magnetostriktion zu einem (meist äußerst geringen) Brummen kommen.

• Insbesondere bei Einzelkochfeldern kann die für das Anbraten erforderliche hohe Temperatur nicht erreicht werden, da das Induktionskochfeld zuvor wegen Übertemperatur abschaltet.

• Anbrennen von Speisen ist genauso möglich wie bei allen anderen Herdarten, weil die Temperaturbegrenzung lediglich die Elektronik schützt.

Elektromagnetische Umweltverträglichkeit (EMUV)

Das Bundesamt für Gesundheit der Schweiz ließ 2006/07 Induktionskochherde auf Einhaltung der ICNIRP-Referenzwerte für die Magnetfeldexposition untersuchen. 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. 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.

Die geprüften Geräte hielten bei bestimmungsgemäßem Gebrauch in 30 Zentimeter horizontaler Entfernung vom Gerät, entsprechend der geltenden Messvorschriften, 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.

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.

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. Moderne Induktoren werden gegen solche Ströme abgeschirmt. Dabei wird eine Graphitschicht auf das Deckblatt des Induktors aufgetragen. Diese Graphitschicht ist wiederum mit einem Erdungskabel 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 mittelmässiges „Kribbeln“ empfunden. Nach der obengenannten Erdung darf die Spannung nicht höher als 30 V liegen (bzw. Erdung der Graphitschicht über 5 kΩ). Der zulässige Ableitstrom eines Netzanschlusses von 30 mA wird ohnehin nie überschritten.

Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV)

Störemission

Induktions-Kochfelder arbeiten im unteren Langwellenbereich (50 kHz) 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.

Störimmunität

Induktionsherde enthalten komplexe elektronische Baugruppen und sind daher potentiell empfindlicher gegenüber transienten Überspannungen im Stromnetz als andere Elektroherde. Der Schutz der Elektronik erfolgt an der Zählertafel durch Hochfrequenzsperren, die auch die Ausbreitung der hochfrequenten Störungen aus dem Verteilnetz des Energieversorgers über das Hausnetz begrenzen.

Marktentwicklung

Historischer Induktionskocher, 1909

Die Tabelle zeigt die Verkaufszahlen in einigen europäischen Staaten mit Stand 2004. 2005 wurden in Deutschland rund 80.000 Stück verkauft.

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

Weblinks

 Commons: Induktionskochfeld – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Schweizer Bundesamt für Gesundheit: Magnetfeldexposition durch Induktionskochherde. Studie.
• Erklärung zum Induktionsherd und der Induktion
• Erklärung zur Funktionsweise einer Induktionskochplatte