Hallo,
ich möchte per MOSFET in der gezeigten Schaltung die Spule mit Eisenkern schalten.
Hohe Stromglättung der Spule, ca. 90 DC Strom, 10 % Restwelligkeit.
Um die Erwärmung zu reduzieren, möchte ich die Spule takten, ca. 50 % Puls/Pausenverhältnis.
Schaltfrequenz ca. 10 Hz.
Frage: Ist es sinnvoll, aus EMV Sicht beim Nulldurchgang der Spannung ein bzw. auszuschalten ?
Oder ist das egal ?
Ich sehe da praktisch keinen Unterschied, wenn ich das simuliere. Immerhin will er 10% Restwelligkeit haben und damit muss die Induktivität recht groß sein. Dann braucht man schon mehrere Halbwellen, bis der volle Strom (begrenzt durch deren Wicklungswiderstand) fließen wird.
Nehme mal an, Du hättest 90V AC 50Hz von einem Trafo kommend.
Da wäre dann eine Art Wellenpaketsteuerung angebracht.
Du schaltest den Mosfet ein, wenn U/2 überschritten wird und bleibt vier Halbwellen lang eingeschaltet. Dann wartest Du wieder vier Halbwellen lang bis der Zyklus von neuem beginnt.
Im Nulldurchgang hast du den größten einschaltstromstoß
bei Spulen.
Das ist so allgmein schlicht Unsinn. Wenn es bei Induktivitäten einen Einschaltstromstoß gibt, dann sind das eher Trafos. Und warum das so ist, kann man hier nachlesen.
Einfache Spule können zwar auch in Sättigung gehen, aber da liegen die Verhältnisse etwas anders. Wenn die Spule für den Nennstrom ausgelegt ist, passiert das hier in der Schaltung nicht.
Im Nulldurchgang hast du den größten einschaltstromstoß
bei Spulen.
Gilt sogar für Luftspulen.
Einfache Spule können zwar auch in Sättigung gehen, aber da liegen die
Verhältnisse etwas anders. Wenn die Spule für den Nennstrom ausgelegt
ist, passiert das hier in der Schaltung nicht.
Nehme mal an, Du hättest 90V AC 50Hz von einem Trafo kommend.
Da wäre dann eine Art Wellenpaketsteuerung angebracht.
Du schaltest den Mosfet ein, wenn U/2 überschritten wird und bleibt vier
Halbwellen lang eingeschaltet. Dann wartest Du wieder vier Halbwellen
lang bis der Zyklus von neuem beginnt.
Das macht man aber nicht bei Spulen, denn dann wäre die Welligkeit ziemlich hoch. Bestenfalls bei riesigen E-Magneten auf dem Schrottplatz, denn die haben so viel Induktivität, da dauert das Auf- und Abmagnetisieren mehrere Sekunden! Das hatten wir mal in einer Diskussion hier.
Im Nulldurchgang hast du den größten einschaltstromstoß bei Spulen.
Auf welchem physikalischen Effekt könnte das beruhen?
Nur bei Induktivität im Wechselstromkreis.
Wir haben hier Gleichstrom.
Beim Einschalten der Spannung ist erst mal Strom = 0, der dann langsam ansteigt.
Im Nulldurchgang hast du den größten einschaltstromstoß bei Spulen.
Auf welchem physikalischen Effekt könnte das beruhen?
Ich würde mal sagen, an der Phasenverschiebung zwischen
Strom und Spannung. Der Strom steigt nach dem Einschalten
mit der Zeit an, und wenn nun auch noch die Spannung beim
ansteigen ist, wird der Stromanstig noch mal beschleunigt.
Bei Kondensatoren ist es genau umgekehrt, da ist der
Einschaltstromstoß im Scheitelpunkt am großten.
Es hat also nichts mit Sättigung und Remanenz zutun.
Ich sehe da praktisch keinen Unterschied, wenn ich das simuliere.
Immerhin will er 10% Restwelligkeit haben und damit muss die
Induktivität recht groß sein. Dann braucht man schon mehrere Halbwellen,
bis der volle Strom (begrenzt durch deren Wicklungswiderstand) fließen
wird
Als Anlage mal eine reale Messung des Spulenstromes (A) einer kleineren Spule nach dem Einschalten der AC Spannung. MOSFETS ständig leitend.
Bei Zeitkonstanten im Sekundenbereich ist das aber EMV-technisch völlig irrelevant. In diesem Frequenzbereich wird nichts abgestrahlt. Ob da die erste Halbwelle den Strom einen Mückenschiss steiler ansteigen lässt oder nicht, wird im Spektrum nichts ändern.
Also wird sich da bestenfalls die Änderung der Stromrichtung beim Ein- und Abschalten und dem Wechsel des Strom vom Mosfet auf den Freilaufkreis störend auswirken. Ergo sollte man tun, was man bei Schaltvorgängen immmer tun sollte: die Freilaufdiode dorthin, wo die Richtungsänderung auftritt (am Mosfet), dazu hinreichend flache Schaltfranken. Und verdrillte Kabel zum Magneten.
Ich würde mal sagen, an der Phasenverschiebung zwischen
Strom und Spannung. Der Strom steigt nach dem Einschalten
mit der Zeit an, und wenn nun auch noch die Spannung beim
ansteigen ist, wird der Stromanstig noch mal beschleunigt.
Bei der Spule des TO (10% Restwelligkeit -> etwa 0.8mH) kannst du den
Effekt vernachlässigen
(Schaltung 1 im Nulldurchgang bei 50ms, Schaltung 2 im Maximum bei
315ms)
möchte ich die Spule takten, ca. 50 % Puls/Pausenverhältnis.
Schaltfrequenz ca. 10 Hz.
Ja, geht, im Nulldurchgang wird EMV etwas besser weil die Spannung an den Spulenanschlüssen nicht springt, der Strom fliesst sowieso writer, aber sowohl die Frequenz als auch Auswirkung ist letztlich vernachlässigbar, du kannst im Spannungsnulldurchgang, im Stromnulldurchgang oder völlig asynchron schalten, ich würde mehr als 10Hz nehmen.
Aber die Spannung an der Spule sieht ja ganz anders aus.
Eben 2 Halbwellen pro 20 ms vom Gleichrichter.
Macht es aus dieser Sicht einen Unterschied, wenn ich nahe am
Spannung-Nullpunkt ein/ausschalte oder eben irgendwo mitten in der
Spannungshalbwelle.
Nein. Lediglich Stromänderungen erzeugen Störungen.
Und ich würde zudem ein Halbleiterrelais vor dem Gleichrichter nehmen. Dann könnte ich mir den ganzen Klimbim mit dem Mosfet und der Nulldurchgangserkennung sparen und hätte ein potentialgetrenntes Bauteil von der Stange da drin, das in 20 Jahren jeder Haus- und Hofelektriker ersetzen kann.
Allerdings muss man beachten, daß die Spannungsquelle (das 230V Netz) nach dem Gleichrichter einen Zweiwegegleichrichtung liefert, also eine mit 100 Hz pulsierende Spannung. Wenn man da unsynchronisiert mit 50% PWM macht, kommen da komische Signalverläufe raus, die man vermutlich nicht haben will. Also sollte bzw. muss man synchron zur Netzspannung die PWM betreiben, damit ist es wieder eine Phasenanschittsteuerung. Die kann jeder normale Thyristordimmer auf der 230V AC Seite machen.
Wenn man da unsynchronisiert mit 50% PWM macht, kommen da komische
Signalverläufe raus, die man vermutlich nicht haben will.
Unsinn - wenn der Strom dadurch 1% moduliert wird, stört das praktisch niemanden. Zeig mal, was du da genau für Ungemach erwartest. Was soll da groß passieren?
Kannst Du bitte mal die Induktivität in der Simulation 5 mal großer
machen.
Hab ich jetzt gemacht (4H), gibt auch noch eine kräftige Modulation mit 1.2A_pp
Dann sollte es der Realität besser entsprechen....
Wie soll das mit deiner Angabe zu Restwelligkeit zusammenpassen?
Bezog sich die auf Dauerbetrieb mit den gleichgerichteten 50Hz oder auf einen Wellenpaketbetrieb mit 10Hz/50%?
Mach mal 9,93 Hz (o.ä.) da draus, dass das Ding auch mal asynchron wird und nicht genau im Nulldurchgang schaltet. Und lass dann die Simu länger laufen.
Auf der Netzseite muss man Aufpassen. Da sind im Stromnetz auch Trafos verbaut die dich mit Überspannungen beim Stromänderungen beglücken können.
Ein/Abschalten sollte Netzsynchron & in der Nähe des Nulldurchganges stattfinden damit die Blindleistung nicht unnötig hoch wird. Gleichanteilsfrei also symmetrisch für positive und negative Halbwelle sonst mag dich der Stromversorger nicht.
Etwas X-Kapazität, Überspannungsschutz und eine passende Sicherung sind sicher kein Luxus.
Das ist dann noch nicht zum verkaufen mit CE Zeichen aber dürfte für ein Einzelstück funktionieren.
Fertiger Triacdimmer und Drossel im Brückengleichrichter währe in der Praxis auch einen Versuch wert.
Da haette der TO vor dem Mosfet induktive Überschwinger des Versorgungstrafos zu haendeln, wenn da nicht noch mehr Lasten dranhaengen wuerden oder nicht fast alles ins Netz rueckwirken lassen koennte.
Mach mal 9,93 Hz (o.ä.) da draus, dass das Ding auch mal asynchron wird
und nicht genau im Nulldurchgang schaltet. Und lass dann die Simu
länger laufen.
Dann hast du im Strom ein ganz leichte Modulation (weniger als 1%) mit etwa 0.07Hz, wie schon oben angedeutet. Was soll da großartiges passieren?
Falk hatte das Aliasing-Thema ja schon angesprochen, aber bedauerlicherweise dann nicht weiter ausgeführt. Sooh komische Dinge sehe ich da im Strom nicht.
Bei der Spule des TO (10% Restwelligkeit -> etwa 0.8mH) kannst du den
Effekt vernachlässigen
(Schaltung 1 im Nulldurchgang bei 50ms, Schaltung 2 im Maximum bei
315ms)
Ja, gebe ich dir Recht, ist bei dieser Anwendung belanglos.
Man kann den Efekt nicht sehen, weil der Strom über diese lange
Zeit sehr groß wird gegenüber den ersten 5ms.
Mach mal eine Simulation wo nur 5ms abgebildet werden,
einmal im Nulldurchgang und einmal im Scheitelpunkt einschalten,
dann müßte der Efekt sichtbar werden.
Wo man diesen Efekt nicht mehr vernachlässigen kann, wäre
wenn man große Trafos, 1kW oder größer einschaltet.
Wenn man dann zufällig im Nulldurchgang einschaltet
fliegt die Sicherung und im Scheitelpunkt nicht.
Ich habe so ein Trafo, der hat, damit daß nicht passiert
extra ein zwei-Stufen einschalter.
Mach mal eine Simulation wo nur 5ms abgebildet werden,
einmal im Nulldurchgang und einmal im Scheitelpunkt einschalten,
dann müßte der Efekt sichtbar werden.
Ja, die Krümmung beim Einschalten ist wegen der anderen Phasenlage natürlich unterschiedlich, aber irgendwelche extravaganten Strompeaks entstehen da in keinem Fall.
Nein. Lediglich Stromänderungen erzeugen Störungen.
Das kann ich irgendwie nicht glauben.
Bei einem Frequenzumrichter ist der Strom zum Motor aufgrund der Induktivität des Morores geglättet, aber die PWM Spannungsmodulation erzeugt starke Störungen, die z.B. mit Sinusfiltern im Ausgangskreis reduziert werden.
Ähnlich sieht es doch auch in diesem Fall aus, nur dass wesentlich seltener geschaltet wird.
Nein. Lediglich Stromänderungen erzeugen Störungen.
Das kann ich irgendwie nicht glauben.
Warum nicht. Bei PWM gibt es zwei verschiedene Stromkreise (Speisung aus Versorgung, Freilauf), zwischen denen mit der PWM-Frequenz umgeschaltet wird. Damit hast du kräftige Stromänderungen, wenn auch nicht in der Induktivität.
Schon die Größe der Leiterschleifen hat einen ziemlichen Einfluss auf abgestrahlte magnetische Störungen.
Das Einschalten und dessen Zeitpunkt betrachte ich hier eher unkritisch. (Im Nulldurchgang entstehen weniger steile Spannungsflanken.)
Die Stromaufnahme auf der Gleichstromseite ist fast konstant, auf der Wechselstromseite ist der Strom dann rechteckförmig. (Wechselstromseitige TRIAC-Steuerung wird nicht möglich sein, weil die Zeit zum Löschen sehr kurz wird.)
Mindestens ebenso kritisch betrachte ich das Ausschalten.
Die große Induktivität erhält den Stromfluss in gleicher Richtung aufrecht, dabei entsteht eine steile Spannungsflanke. Eine schnelle Diode D10 oder ähnlich muss den abklingenden Strom dann übernehmen.
Und bedingt durch die Eingenkapazität der Wicklung und der Spulengüte geht der Strom oft mehr oder weniger schwingend gegen 0.
MOSFET.PNG
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