Steuerungstechnik
Einfache Schaltvorgänge in elektrischen Netzwerken - Teil 2: Beispiele mit Freilaufdioden aus der Praxis
ep8/2010, 3 Seiten
Praktische Beispiele Die im Folgenden ausgewählten praktischen Beispiele betreffen im wesentlichen Lösungen für den kontrollierten Auf- und Abbau der in einer Induktivität gespeicherten magnetischen Energie beim Schalten mit Hilfe sogenannter Freilaufeinrichtungen. Derartige Probleme treten bei der Steuerung elektromagnetischer Relais in vielfältiger Form auf. Spule mit Freilaufdiode Bild zeigt eine Schaltung zum Ein- und Ausschalten von Spulen mit einer Freilaufdiode. Da - wie zu Bild erläutert [1] - während des Einschaltvorganges ständig die Spannung E an der Reihenschaltung von L und RL anliegt, wird die Diode D in Sperrrichtung betrieben. Diese hat keinerlei Einfluss auf den Einschaltvorgang und damit auf den Aufbau der magnetischen Energie in der Spule. Die zulässige Sperrspannung der Diode muss größer als die Betriebsspannung E sein. Im Moment des Öffnens des Kontaktes kehrt sich die Polarität der Spannung an der Induktivität und damit an der Spule um (vergl. Induktionsgesetz). Aufgrund der Stetigkeitsbedingung IL (-0) = (+0) für den Spulenstrom und der Polaritätsumkehr der Spannung an der Induktivität geht der Strom stetig auf die Diode D über, die jetzt in Flussrichtung betrieben wird. Der zulässige Durchlassstrom der Diode muss entsprechend groß sein. Die in der Spule gespeicherte magnetische Energie WL = 1 L · IL wird durch den Strom (1) mit einer Zeitkonstanten abgebaut. Dabei tritt während des Stromflusses am geöffneten Kontakt eine Maximalspannung auf, die um die meist zu vernachlässigende Flussspannung der Diode größer als die Betriebsspannung ist. Eine Funkenbildung am sich öffnenden Kontakt ist somit ausgeschlossen. Der Schutz des Schalters vor unzulässig hohen Abschaltspannungen ist besonders beim Einsatz elektronischer Schalter unverzichtbar, um diese vor Schäden bzw. evtl. Zerstörung zu schützen. Da elektronische Schalter sehr rasch abschalten, ist bei der Auswahl der Freilaufdiode des Weiteren darauf zu achten, dass eine ebenso rasche Stromübernahme erfolgen kann. Eine kurze Einschaltzeit der Diode wird erforderlich. BETRIEBSFÜHRUNG Elektropraktiker, Berlin 64 (2010) 8 655 Einfache Schaltvorgänge in elektrischen Netzwerken Teil 2: Beispiele mit Freilaufdioden aus der Praxis G. Graichen, Chemnitz In [1] wurden die grundlegenden Gegebenheiten und Zusammenhänge zu einfachen Schaltvorgängen in elektrischen Netzwerken aufgezeigt (Stetigkeitsbedingung, Anfangsbedingung, stationärer Zustand und flüchtiger Anteil). Davon ausgehend werden nun Schritte zur Analyse und Bewertung von Schaltvorgängen anhand einfacher praktischer Beispiele erläutert. MEISTERWISSEN Autor Dr.-Ing. Günter Graichen ist als freier Fachjournalist tätig, Chemnitz. 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Spule mit Freilaufdiode und Kondensator Nachdem eine Möglichkeit zur Beschleunigung der Abmagnetisierung von geschalteten Spulen und damit zur praktischen Reduzierung der Abfallzeit eines elektromagnetischen Relais erläutert wurde, soll nachfolgend eine Variante bevorzugt zur Beschleunigung des Aufbaus der magnetischen Energie in einer geschalteten Spule und damit zur praktischen Reduzierung der Anzugszeit eines elektromagnetischen Relais diskutiert werden. Bild zeigt eine entsprechende Schaltung, die in der Praxis sehr häufig genutzt wird. Stationärer Zustand Geht man zunächst vom stationären Ein-Zustand eines elektromagnetischen Relais aus, so ist festzustellen, dass infolge dann aufgeladenem Kondensator CV mit ICV () = 0 der Spulenstrom (6) beträgt. Der Widerstand RV ist folglich so zu bemessen, dass stets der für die Halteerregung des Relais erforderliche Strom fließen kann. Einschaltvorgang Für praktische Überlegungen ist davon auszugehen, dass vor dem Schließen des Kontaktes bei t = 0 der Kondensator CV entladen ist [UCV (0) = 0]. Der Kondensator wirkt somit zu Beginn des Einschaltvorganges wie ein Kurzschluss für den Widerstand RV [vergl. Stetigkeitsbedingung UC (-0) = UC (+0)]. Das hat zur Folge, dass der Strom über die Spule rasch ansteigt. Der für die Anzugserregung des Relais erforderliche Strom wird rasch erreicht und damit die Anzugszeit des Relais verkürzt. Während der Aufladung des Kondensators CV fällt der Spulenstrom schließlich bis auf den für die Aufrechterhaltung der Halteerregung erforderlichen Wert mit aufgeladenem Kondensator [ICV (0) = 0] ab, siehe Gleichung (6). Ausschaltvorgang Mit dem Öffnen des Kontaktes in der Schaltung nach Bild werden zwei unabhängig voneinander ablaufende Zeitvorgänge gestartet. Zum einen kommt es zu einem kontrollierten Abbau der gespeicherten magnetischen Energie in der Relais-Wicklung infolge Stromfluss über die Freilaufdiode. Diese Vorgänge wurden bereits zu der Schaltung nach Bild erläutert. Zum anderen kommt es zu einer Entladung des Kondensators CV über den Widerstand RV (vergl. Bild ). Die am Kondensator wirksame exponentiell abfallende Spannung reduziert die Kontaktbelastung bei vernachlässigter Flussspannung der Diode auf Spannungswerte kleiner E. Diese Tatsache kann dahingehend genutzt werden, dass in der Schaltung nach Bild in Reihe zur Freilaufdiode D ein Widerstand RD (Bild ) zur Beschleunigung des kontrollierten Abbaus der gespeicherten magnetischen Energie und damit zur Reduzierung der Abfallzeit eines Relais angeordnet wird. Soll am sich öffnenden Kontakt bzw. an einem elektronischen Schalter bei Vernachlässigung der Flussspannung an der Diode die Sperrbelastung maximal in Höhe der Betriebsspannung liegen, so BETRIEBSFÜHRUNG Elektropraktiker, Berlin 64 (2010) 8 656 Spule mit Freilaufdiode und Widerstand Die bisherigen Erläuterungen [1] zeigten, dass der kontrollierte Abbau der magnetischen Energie mit einer wirksamen Zeitkonstanten relativ langsam erfolgt. Das kann z. B. eine entsprechende Verzögerung beim Öffnen der Arbeitskontakte eines elektromagnetischen Relais zur Folge haben. Ist dies unerwünscht, kann die Schaltung nach Bild durch einen Widerstand RD Reihe zur Freilaufdiode gemäß Bild ergänzt werden. Der zusätzliche Widerstand beeinflusst den Einschaltvorgang und den Ein-Zustand erwartungsgemäß nicht. Im Moment des Abschaltens bei t = 0 geht der Strom wie bei der Schaltung nach Bild auf die Freilaufeinrichtung über. Die elektrischen Parameter der Freilaufdiode bleiben somit gegenüber der Schaltung nach Bild insgesamt unverändert. Am Widerstand RD entsteht ein Spannungsabfall . (2) Damit erhöht sich die Spannung am Kontakt im Moment seines Öffnens bei Vernachlässigung der Flussspannung an der Diode auf (3) Während des Abmagnetisierungsvorganges fällt die Kontaktspannung entsprechend (4) auf den stationären Endwert () = E. Dem Nachteil der erhöhten spannungsmäßigen Kontaktbelastung bzw. der erhöhten Sperrbelastung eines elektronischen Schalters steht ein Vorteil hinsichtlich der Geschwindigkeit des kontrollierten Abbaus der gespeicherten magnetischen Energie gegenüber. Dies erfolgt jetzt mit einer je nach RD wesentlich kleineren Zeitkonstanten für den Strom: . (5) Eine Verzögerung beim Öffnen der Arbeitskontakte eines elektromagnetischen Relais kann somit wesentlich verkürzt werden. In der Praxis ist stets ein Kompromiss zwischen Sperrbelastung des steuernden Schalters und notwendiger Geschwindigkeit beim kontrollierten Abbau der gespeicherten magnetischen Ener- = = = + = + = < t = 0 Schaltung zum Ein- und Ausschalten von Spulen mit Freilaufdiode Prinzip des Ein- und Ausschaltens von Spulen Schaltung zum Ein- und Ausschalten von Spulen mit Freilaufdiode plus Reihenwiderstand t = 0 t = 0 L D RL RD Anzeige Elektropraktiker, Berlin 64 (2010) 8 657 muss bei t = 0 die notwendige Bedingung RV (7) eingehalten werden (RD entsprechend Bild ). Im weiteren Verlauf der beiden Zeitvorgänge ist es dann möglich, dass je nach den wirksamen Zeitkonstanten die Spannung am offenen Kontakt bzw. am gesperrten elektronischen Schalter den Wert E über- bzw. unterschreitet, bevor letztlich der stationäre Endwert () = E erreicht wird. Um ein zeitweises Überschreiten des Wertes E durch die Kontakt- bzw. Schalterspannung auszuschließen, muss weiterhin CV (8) bzw. (9) als hinreichende Bedingung eingehalten werden. Das heißt, der Spulenstrom zur Abmagnetisierung der Induktivität muss rascher abfallen als die Spannung am Kondensator. Bei Gültigkeit der Gleichheitszeichen (in der Praxis aufgrund von Bauelementetoleranzen schwer zu realisieren) in den Gleichungen (7), (8) bzw. (9) steht mit dem Öffnen des Kontaktes bereits die Spannung () = E an. Kondensator CV Die bisherigen Erläuterungen lassen vermuten, dass eine möglichst große Kapazität CV günstig sein könnte. Das trifft jedoch nur für Schaltvorgänge mit geringer Schalthäufigkeit (vergleichsweise lange Pausen zwischen zwei Schaltvorgängen) bedingt zu. Sowohl beim Start eines Ein- als auch eines Ausschaltvorganges sollten die Umladevorgänge am Kondensator CV abgeklungen sein, um die erläuterten Effekte in der Praxis auch zu erreichen. Des Weiteren würde eine überdimensionierte Kapazität CV den Schalter beim Einschalten unnötig strommäßig belasten. Für die Realisierung einer Schaltung nach Bild , eventuell in Kombination mit einem Widerstand RD entsprechend Bild oder auch anderen in der Schaltungspraxis üblichen Freilaufeinrichtungen, sind folglich stets geeignete Kompromisse anhand konkreter Erfordernisse (z. B. Schalthäufigkeit und notwendige Schaltgeschwindigkeit eines elektromagnetischen Relais) zu suchen und umzusetzen. Schlussbemerkung Mit den Darlegungen zu einfachen Schaltvorgängen in elektrischen Netzwerken sind - ausgehend von grundlegenden Gegebenheiten und Zusammenhängen - wesentliche Schritte zur Analyse und Bewertung von Schaltvorgängen anhand einfacher praktischer Beispiele erläutert worden. Das ermöglicht auch das Verständnis des Betriebsverhaltens einer Vielzahl weiterer in der Praxis genutzter Varianten zum kontrollierten Abbau von in induktiven Einrichtungen gespeicherter magnetischer Energie, ohne dass diese hier im Einzelnen erwähnt werden konnten. Literatur [1] Graichen, G.: Meisterwissen: Einfache Schaltvorgänge in elektrischen Netzwerken; Teil 1: Grundwissen zu Spule und Kondensator. Elektropraktiker Berlin 64(2010)7, S. 581-582. t = 0 uCV(t) iCV(t) Prinzip zur Entladung eines Kondensators Schaltung zum Ein- und Ausschalten von Spulen mit Freilaufdiode plus RC-Kombination Jetzt bestellen! Schutzanlagen fachgerecht errichten und betreiben Firma/Name, Vorname Branche/Position z. Hd. Telefon Fax E-Mail Straße, Nr. Postfach Land/PLZ/Ort Datum Unterschrift 1008 ep Ich bestelle zur Lieferung gegen Rechnung zzgl. Versandspesen zu den mir bekannten Geschäftsbedingungen beim huss-shop HUSS-MEDIEN Gmb H 10400 Berlin KUNDEN-NR. (siehe Adressaufkleber oder letzte Warenrechnung) Preisänderungen und Liefermöglichkeiten vorbehalten TIPP Expl. Bestell-Nr. Autor/Titel /Stück 3-341-01520-9 Doemeland, Handbuch Schutztechnik 58,00 HUSS-MEDIEN Gmb H 10400 Berlin Direkt-Bestell-Service: Tel. 030 42151-325 · Fax 030 42151-468 E-Mail: bestellung@huss-shop.de www.huss-shop.de Doemeland, Handbuch Schutztechnik, 8., überarb. Aufl. 2007, 440 S., 300 Abb., Hardcover, Bestell-Nr. 3-341-01520-9, 58,00 Das Standardwerk zur Schutztechnik Geräte zur Messwerterfassung (Wandler) Messgrößenverarbeitung (analoge und digitale Schutzsysteme) Steuer- und Meldestromkreise Schutzsysteme für Motoren, Transformatoren, Leitungen und Generatoren Schutzsysteme für weitere Betriebsmittel Arbeitssicherheit, Unfallverhütung, Brandschutz Messen und Prüfen, Nachweis der Prüfungen Statistik in der Schutztechnik und Tendenzen Aktuell in dieser Auflage: neue Erkenntnisse im Bereich der niederohmigen Sternpunktbehandlung in Kabelnetzen Generatorschutz in „NOSPE-Netzen“ aktuelle Ausführungen zur Anbindung alternativer Energien neue Messverfahren und aktuelle Messergebnisse.
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- G. Graichen
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