Verwalten von Einschaltströmen
Ein Nulldurchgang-Halbleiterrelais ist die womöglich ungünstigste Schaltmethode bei einem Transformator oder einer hoch induktiven Last. Neueren Erkenntnissen zufolge kann die Nulldurchgang-Einschaltung solcher Lasten zu einem Stoßstrom führen, der möglicherweise das 10- bis 40- fache des Dauerstroms beträgt. Dabei verursacht das Einschalten bei Spitzenspannung nur einen geringen bis gar keinen Stoßstrom.
Stoßströme dieser Größenordnung können die Lebensdauer des Nulldurchgang-SSR ernsthaft verkürzen, es sei denn, das SSR hat einen Nennstrom, der weit über der Belastung liegt. Sie erzeugen EMI und RFI (entlang der gesamten Lastleitung), die Logikgatter zerstören und unerwünschte Einschaltungen von Halbleiterschaltern verursachen können. Darüber hinaus erzeugen diese Überspannungsströme thermische und mechanische Beanspruchung der Wicklungen der Induktivität und der Transformatorkernlaminierungen. Diese Belastungen können zu einem frühen Ausfall des Geräts führen.
Die Ursache für Einschaltströme dieser Größenordnung ist die Kernsättigung. Transformatoren sind so konzipiert, dass sie unterhalb des Knies der Sättigungskurve des Kernmaterials arbeiten, das unter Punkt A in Abbildung 1 liegt. Allerdings tritt eine Sättigung auf, und wenn dies der Fall ist, nimmt die Induktivität auf einen sehr niedrigen Wert ab. Die Impedanz sinkt dann auf wenig mehr als den DC-Widerstand des Primärschaltkreises. (Dies kann für jede sättigungsfähige Reaktion gelten.)
Wenn eine Induktivität, deren Kern keinen remanenten Magnetismus enthält, anfänglich bei der Spannungsspitze erregt wird, erzeugt die Stromänderungsrate (di/dt) eine maximale Gegen-EMK und, wie in A von Abbildung 2 gezeigt, gibt es keinen Flussstoß. Wenn die Spannung jedoch bei Null angelegt wird, ist das Gegen-EMK minimal und es kommt zu einer „Flussverdopplung“ von Abbildung 2 dargestellt. Diese Flussverdoppelung ist das Ergebnis eines Stromstoßes, der mehrere Halbzyklen andauern kann.
Remanenter Magnetismus im Kern kann diesen Überspannungszustand verschlimmern. Es liegt in der Natur des Kernmaterials, den Magnetismus bis zu einem gewissen Grad zu behalten, nachdem die Magnetisierungsspannung entfernt wurde. Wenn die Primärspannung des Transformators im Nulldurchgang und in einer solchen Richtung wieder angelegt wird, dass das zunehmende Feld den remanenten Fluss unterstützt, ergibt sich ein Fluss von 2øm +ør (C in Abb. 2). Dieser Fluss ist natürlich vollständig von Null versetzt, und der Kern befindet sich in tiefer Sättigung, wie die Hysteresekurve in F von Abbildung 2 zeigt. (D und E sind die Hysteresekurven für die Bedingungen A bzw. B). Der Einschaltstrom ist daher um ein Vielfaches höher als normal, wie in G von Abbildung 2 dargestellt, und kann mehrere Halbzyklen andauern.
Ein 150-VA-Transformator hat einen 120-Volt-Primär-Gleichstromwiderstand von ca. 1,5 Ohm und ein 500-VA-Transformator einen 120-Volt-Primärwiderstand von ca. 0,3 Ohm. Man könnte meinen, ein 5-Amp-Nulldurchgang-SSR wäre mehr als ausreichend, um den Strom des 150-VA-Transformators zu schalten. Während der Kernsättigung beträgt der Einschaltstrom der Primärwicklung jedoch 80 Ampere:
I = E = 120 = 80 Ampere. R 1,5
Im Falle des 500-VA-Transformators könnte man meinen, ein 10-Amp-SSR könnte ausreichen. Aber während der Kernsättigung beträgt der Primärstrom 400 Ampere:
I = E = 120 = 400 Ampere.
R 0,3
Unter solchen Bedingungen ist das SSR stark überlastet und der Transformator überhitzt. (Die Leistung, die während dieses 400-A-Spannungsstoßes in der Primärkraft verbraucht wird, würde etwa 40 KVA betragen.)
Abbildung 1.
Abbildung 2.
Die Abbildungen 3 und 4 zeigen die Auswirkung eines 90-Grad-Einschalt-SSR auf den Einschaltstrom des Transformators. In Abbildung 3A ist die Transformatorsekundärseite offen, und die Primärseite ist nahe der Nullspannung eingeschaltet. Im ersten Halbzyklus kommt es zu einem Einschaltstromstoß von 200 Ampere (siehe Scope-Tracing von rechts nach links). Wenn jedoch derselbe Transformator bei Spitzenspannung eingeschaltet wird (Abb. 3B), ist der Einschaltstrom nur 17 % größer als der stationäre Strom. Das heißt, ein Einschaltstrom von 7 Ampere.
Abbildung 3: 150-VA-Transformator, sekundär entladen. Die obere Abtastung ist der Primärstrom; die untere Abtastung ist die Primärspannung (120 VAC). (Lesen Sie die Rückverfolgung von rechts nach links.)
Abbildung 4 zeigt das Oszillogramm desselben Transformators mit dem sekundären Anschluss an einen 250-Ohm-Widerstand. Wie der Vergleich der Abbildungen 3A und 4A zeigt, dass eine belastete Sekundärseite keinen nennenswerten Einfluss auf den primären Einschaltstrom hat.
Überspannungsströme, wie sie in den Abbildungen 3A und 4A dargestellt sind, können für ein Nulldurchgang-SSR destruktiv sein.
Abbildung 4: 150-VA-Transformator, sekundär über 250-Ohm-Widerstand verbunden, 240 VAC. Die obere Abtastung ist der Primärstrom; die untere Abtastung ist die Primärspannung (120 VAC).
Ein „Nulldurchgang“-SSR schaltet sich nicht immer bei exakt null Spannung ein. Es dauert vielleicht eine Millisekunde oder mehr, bis die Schaltung reagiert. Daher ist der Lastschalter möglicherweise erst dann voll eingeschaltet, wenn die Lastspannung vielleicht 15 bis 20 Volt beträgt. In diesem Fall ist der Überspannungsstrom nicht so groß, aber er ist immer noch potenziell destruktiv. Außerdem kann ein SSR, das zufällig eingeschlatet wird, manchmal bei oder in der Nähe des Nulldurchgangs einschalten. Die beste Methode zum Einschalten von Transformatoren und anderen sättigbaren, hochinduktiven Lasten ist die Verwendung einer Einschaltvorrichtung für die Spitzenspannung. Einschalten bei Spitzenspannung führt zu einem minimalen Anstieg, wenn überhaupt eine Überspannung vorhanden ist.
Nulldurchgangs-SSRs sind hervorragende Schalter für resistive kapazitive und leicht induktive Lasten. Dennoch muss der Einschaltstrom berücksichtigt werden. Das heißt, eine Glühlampe kann einen Einschaltstrom des „kalten Heizfadens“ ziehen, der das 10- bis 20-fache des stationären Einschaltstroms des „heißen Heizfadens“ beträgt. Ein Motor kann einen „blockierten Rotor“-Strom von vielleicht dem 6-fachen seines Betriebsstroms ziehen. Und der Einschaltstromstoß eines Kondensators oder der Einschaltstromstoß einer Schaltung, in der erhebliche Streukapazitäten vorhanden sind, wird allein durch den Gleichstromwiderstand der Schaltung begrenzt.
Quellenangaben
1. „Alternating Current Machines“, Halsted Press, John Wiley & Son, „Inductively Loaded SSRs Control Turn-On to Eliminate First-Cycle Surges“, Electronic Design, 15. März 1979. „Controlling Transformer Inrush Currents“, EDN, Juli 1966. „The Great Zero Cross-over Hoax“, NARM Proceedings, Mai 1974.
Verwalten von Einschaltströmen
Ein Nulldurchgang-Halbleiterrelais ist die womöglich ungünstigste Schaltmethode bei einem Transformator oder einer hoch induktiven Last. Neueren Erkenntnissen zufolge kann die Nulldurchgang-Einschaltung solcher Lasten zu einem Stoßstrom führen, der möglicherweise das 10- bis 40- fache des Dauerstroms beträgt. Dabei verursacht das Einschalten bei Spitzenspannung nur einen geringen bis gar keinen Stoßstrom.
Stoßströme dieser Größenordnung können die Lebensdauer des Nulldurchgang-SSR ernsthaft verkürzen, es sei denn, das SSR hat einen Nennstrom, der weit über der Belastung liegt. Sie erzeugen EMI und RFI (entlang der gesamten Lastleitung), die Logikgatter zerstören und unerwünschte Einschaltungen von Halbleiterschaltern verursachen können. Darüber hinaus erzeugen diese Überspannungsströme thermische und mechanische Beanspruchung der Wicklungen der Induktivität und der Transformatorkernlaminierungen. Diese Belastungen können zu einem frühen Ausfall des Geräts führen.
Die Ursache für Einschaltströme dieser Größenordnung ist die Kernsättigung. Transformatoren sind so konzipiert, dass sie unterhalb des Knies der Sättigungskurve des Kernmaterials arbeiten, das unter Punkt A in Abbildung 1 liegt. Allerdings tritt eine Sättigung auf, und wenn dies der Fall ist, nimmt die Induktivität auf einen sehr niedrigen Wert ab. Die Impedanz sinkt dann auf wenig mehr als den DC-Widerstand des Primärschaltkreises. (Dies kann für jede sättigungsfähige Reaktion gelten.)
Wenn eine Induktivität, deren Kern keinen remanenten Magnetismus enthält, anfänglich bei der Spannungsspitze erregt wird, erzeugt die Stromänderungsrate (di/dt) eine maximale Gegen-EMK und, wie in A von Abbildung 2 gezeigt, gibt es keinen Flussstoß. Wenn die Spannung jedoch bei Null angelegt wird, ist das Gegen-EMK minimal und es kommt zu einer „Flussverdopplung“ von Abbildung 2 dargestellt. Diese Flussverdoppelung ist das Ergebnis eines Stromstoßes, der mehrere Halbzyklen andauern kann.
Remanenter Magnetismus im Kern kann diesen Überspannungszustand verschlimmern. Es liegt in der Natur des Kernmaterials, den Magnetismus bis zu einem gewissen Grad zu behalten, nachdem die Magnetisierungsspannung entfernt wurde. Wenn die Primärspannung des Transformators im Nulldurchgang und in einer solchen Richtung wieder angelegt wird, dass das zunehmende Feld den remanenten Fluss unterstützt, ergibt sich ein Fluss von 2øm +ør (C in Abb. 2). Dieser Fluss ist natürlich vollständig von Null versetzt, und der Kern befindet sich in tiefer Sättigung, wie die Hysteresekurve in F von Abbildung 2 zeigt. (D und E sind die Hysteresekurven für die Bedingungen A bzw. B). Der Einschaltstrom ist daher um ein Vielfaches höher als normal, wie in G von Abbildung 2 dargestellt, und kann mehrere Halbzyklen andauern.
Ein 150-VA-Transformator hat einen 120-Volt-Primär-Gleichstromwiderstand von ca. 1,5 Ohm und ein 500-VA-Transformator einen 120-Volt-Primärwiderstand von ca. 0,3 Ohm. Man könnte meinen, ein 5-Amp-Nulldurchgang-SSR wäre mehr als ausreichend, um den Strom des 150-VA-Transformators zu schalten. Während der Kernsättigung beträgt der Einschaltstrom der Primärwicklung jedoch 80 Ampere:
I = E = 120 = 80 Ampere. R 1,5
Im Falle des 500-VA-Transformators könnte man meinen, ein 10-Amp-SSR könnte ausreichen. Aber während der Kernsättigung beträgt der Primärstrom 400 Ampere:
I = E = 120 = 400 Ampere.
R 0,3
Unter solchen Bedingungen ist das SSR stark überlastet und der Transformator überhitzt. (Die Leistung, die während dieses 400-A-Spannungsstoßes in der Primärkraft verbraucht wird, würde etwa 40 KVA betragen.)
Abbildung 1.
Abbildung 2.
Die Abbildungen 3 und 4 zeigen die Auswirkung eines 90-Grad-Einschalt-SSR auf den Einschaltstrom des Transformators. In Abbildung 3A ist die Transformatorsekundärseite offen, und die Primärseite ist nahe der Nullspannung eingeschaltet. Im ersten Halbzyklus kommt es zu einem Einschaltstromstoß von 200 Ampere (siehe Scope-Tracing von rechts nach links). Wenn jedoch derselbe Transformator bei Spitzenspannung eingeschaltet wird (Abb. 3B), ist der Einschaltstrom nur 17 % größer als der stationäre Strom. Das heißt, ein Einschaltstrom von 7 Ampere.
Abbildung 3: 150-VA-Transformator, sekundär entladen. Die obere Abtastung ist der Primärstrom; die untere Abtastung ist die Primärspannung (120 VAC). (Lesen Sie die Rückverfolgung von rechts nach links.)
Abbildung 4 zeigt das Oszillogramm desselben Transformators mit dem sekundären Anschluss an einen 250-Ohm-Widerstand. Wie der Vergleich der Abbildungen 3A und 4A zeigt, dass eine belastete Sekundärseite keinen nennenswerten Einfluss auf den primären Einschaltstrom hat.
Überspannungsströme, wie sie in den Abbildungen 3A und 4A dargestellt sind, können für ein Nulldurchgang-SSR destruktiv sein.
Abbildung 4: 150-VA-Transformator, sekundär über 250-Ohm-Widerstand verbunden, 240 VAC. Die obere Abtastung ist der Primärstrom; die untere Abtastung ist die Primärspannung (120 VAC).
Ein „Nulldurchgang“-SSR schaltet sich nicht immer bei exakt null Spannung ein. Es dauert vielleicht eine Millisekunde oder mehr, bis die Schaltung reagiert. Daher ist der Lastschalter möglicherweise erst dann voll eingeschaltet, wenn die Lastspannung vielleicht 15 bis 20 Volt beträgt. In diesem Fall ist der Überspannungsstrom nicht so groß, aber er ist immer noch potenziell destruktiv. Außerdem kann ein SSR, das zufällig eingeschlatet wird, manchmal bei oder in der Nähe des Nulldurchgangs einschalten. Die beste Methode zum Einschalten von Transformatoren und anderen sättigbaren, hochinduktiven Lasten ist die Verwendung einer Einschaltvorrichtung für die Spitzenspannung. Einschalten bei Spitzenspannung führt zu einem minimalen Anstieg, wenn überhaupt eine Überspannung vorhanden ist.
Nulldurchgangs-SSRs sind hervorragende Schalter für resistive kapazitive und leicht induktive Lasten. Dennoch muss der Einschaltstrom berücksichtigt werden. Das heißt, eine Glühlampe kann einen Einschaltstrom des „kalten Heizfadens“ ziehen, der das 10- bis 20-fache des stationären Einschaltstroms des „heißen Heizfadens“ beträgt. Ein Motor kann einen „blockierten Rotor“-Strom von vielleicht dem 6-fachen seines Betriebsstroms ziehen. Und der Einschaltstromstoß eines Kondensators oder der Einschaltstromstoß einer Schaltung, in der erhebliche Streukapazitäten vorhanden sind, wird allein durch den Gleichstromwiderstand der Schaltung begrenzt.
Quellenangaben
1. „Alternating Current Machines“, Halsted Press, John Wiley & Son, „Inductively Loaded SSRs Control Turn-On to Eliminate First-Cycle Surges“, Electronic Design, 15. März 1979. „Controlling Transformer Inrush Currents“, EDN, Juli 1966. „The Great Zero Cross-over Hoax“, NARM Proceedings, Mai 1974.
