Induktor-Einschaltstrom

Leider sprechen Sie von vielen verschiedenen Arten von Einschaltströmen , die alle unterschiedlich verursacht werden, also mit unterschiedlichen Heilungen. Einige 'verursacht' durch Induktoren, andere geheilt.

a) Motoreinschaltstrom

Motoren erzeugen beim Drehen eine Gegen-EMK, die den größten Teil der Eingangsspannung aufhebt und nur eine kleine Nettospannung übrig lässt, um einen Strom durch den kleinen Motorwiderstand zu treiben.

Im Stillstand gibt es keine Gegen-EMK, sodass die normale Versorgungsspannung typischerweise den 10-fachen Nennstrom in den Motor treiben kann. Die Motorinduktivität ist im Vergleich zur mechanischen Zeitkonstante des Motors unbedeutend. Es reicht aus, um PWM-Schaltungen im vielen kHz-Bereich auszugleichen, aber nicht, um die sekundenschnelle Beschleunigung zu verkraften.

Kleine Motoren leben einfach mit dem Einschaltstrom. Größere Motoren müssen eine Form des kontrollierten sanften Anlaufens verwenden.

b) Einschaltstrom des Transformators

Der Fluss kann in Volt.Sekunden gemessen werden. Ein Transformatorkern hat einen maximalen Fluss. Es ist so konzipiert, dass es von -max zu +max und wieder zurück schwingt. Der Transformator hat vor dem Einschalten Nullfluss. Wenn Sie es im falschen Teil des Netzzyklus einschalten, wird es versuchen, anstatt zwischen -max und +max zu schwingen, zwischen 0 und +2max zu schwingen, was offensichtlich nicht möglich ist. Der aufgrund der Sättigung gezogene große asymmetrische Strom verursacht eine Netto-Gleichspannung im Wicklungswiderstand, die den Fluss über die nächsten paar Zyklen allmählich auf einen Mittelwert von Null verschiebt.

Während einige Leute sagen, dass dies durch die Transformatorinduktivität „verursacht“ wird, liegt es tatsächlich daran, dass die Induktivität abfällt, wenn der Kern gesättigt ist. Dies wird im Allgemeinen durch die Verwendung einer Zeitverzögerungssicherung gemildert, die dem zusätzlichen Strom etwa eine Sekunde lang standhält.

c) AC-Magneteinschaltstrom

Wenn ein Solenoid nicht erregt ist, gibt es einen großen Luftspalt im Magnetpfad, was bedeutet, dass die Induktivität des Solenoids niedrig ist. Wenn Wechselstrom angelegt wird, dominiert typischerweise der Widerstand der Spule, und es fließt ein großer Strom. Wenn der Elektromagnet schließt, verschwindet der Luftspalt und die Induktivität steigt um eine oder zwei Größenordnungen.

In einem gut konstruierten Wechselstrommagneten dominiert nun die induktive Reaktanz die Magnetspulenimpedanz, wodurch der Versorgungsstrom erheblich abfällt. Dieser Stromabfall erfolgt automatisch durch die sich ändernde Magnetkreisgeometrie.

d) Gleichstrommagnet, kein Einschaltstrom

Da die Versorgung Gleichstrom ist, wird der stationäre Strom durch den Widerstand der Spule begrenzt, nicht durch die Induktivität, ob groß oder klein. Die Induktivität dient dazu, den Anstieg des Stroms zu verlangsamen, das Gegenteil eines Einschaltstroms.

Im bestromten Zustand bedeutet der kleinere Luftspalt, dass weniger Strom benötigt wird, um das Haltemagnetfeld zu liefern. Manchmal wird ein spezieller Treiber verwendet, um einen großen Anzugsstrom zu liefern, der dann auf einen niedrigeren Haltestrom reduziert wird. Dies geschieht aktiv durch den Treiber, nicht durch die sich ändernde Geometrie des Elektromagneten.

e) Einschaltstromstoß des Gleichrichters/Kondensators

Im ersten Zyklus muss die Versorgung die Kondensatoren von Null aufladen. Dies kann durch die Verwendung einer zeitverzögerten Sicherung und Überspannungsschutzdioden gehandhabt werden. Die allgegenwärtige 1N540x-Serie zum Beispiel ist für 3 A Dauerstrom und 200 A Halbzyklus-Überspannung ausgelegt. Eine andere Möglichkeit ist die Verwendung von NTC-Thermistoren in Reihe oder von Relais-kurzgeschlossenen Anlaufwiderständen. Es ist nicht praktikabel, eine Induktivität zu verwenden, die groß genug ist, um die Stromanstiegsrate zu begrenzen.

f) Gleichrichter-/Kondensator-Auflade-Einschaltstrom

Jetzt kann dieser durch zusätzliche Induktivität gemildert werden. Die Kondensatoren werden nur geladen, wenn die Eingangsspannung die Kondensatorspannung übersteigt, was möglicherweise nur 10 % der Zeit beträgt. Dies führt zu einer sehr spitzen Diodenstromwellenform. Ein bisschen Serieninduktivität, manchmal eine diskrete Induktivität, manchmal ist der Transformator so gewickelt, dass er eine endliche Streuinduktivität hat und nicht die minimal mögliche, verlängert den Stromimpuls. Wenn der Impuls beginnt, begrenzt er die Anstiegsrate. Wenn die Transformatorspannung abfällt und der Impuls normalerweise enden würde, addiert sich die Gegen-EMK in der Induktivität zur Transformatorspannung und hält den Impuls am Laufen, während der Impulsstrom auf Null abfällt.

g) Einschaltstrom der Glühlampe

Der Widerstand eines Metallfadens ändert sich von kalt nach heiß um mehr als eine Größenordnung, sodass der Strom beim Einschalten das 10-fache des Betriebsstroms betragen kann. Dies wird mit überdimensionierten oder zeitverzögerten Sicherungen gehandhabt.

Bei Motoren und Transformatoren ist der Fall etwas anders.

In Motoren ist die Wicklungsinduktivität ziemlich niedrig – nicht genug, um den Strom selbst sicher zu begrenzen. Erst wenn sich der Rotor dreht und Gegen-EMK erzeugt, ist der Strom begrenzt. Wenn ein Wechselstrommotor blockiert, ist die Stromaufnahme ebenfalls viel höher als der normale Betriebsstrom, selbst lange nach dem Start.

Bei Transformatoren gilt die Primärwicklungsinduktivität nur, wenn auf der Sekundärseite kein Strom fließt. Wenn Sie induzierten Strom in der Sekundärwicklung fließen lassen, neigt dies dazu, den Fluss im Kern aufzuheben. Da die Induktivität durch den Fluss verursacht wird, "schließt" die Sekundärwicklung die Induktivität effektiv "kurz". In der normalen Konfiguration einer linearen Stromversorgung speist es einen Brückengleichrichter und eine Kondensatorbank. Der Einschaltstrom wird tatsächlich (hauptsächlich) durch die Kondensatorbank verursacht. Sobald die Kondensatoren aufgeladen sind, fällt der Sekundärstrom auf nahezu Null ab und der Strom wird durch die Primärinduktivität begrenzt.

Eine Induktivität hat eine begrenzte Stromanstiegsrate (proportional zur Eingangsspannung). Ein Motor hat jedoch eine andere Charakteristik, denn wenn er dreht, ist die Anstiegsgeschwindigkeit des induktiven Stroms proportional zur Eingangsspannung MINUS der sogenannten Gegen-EMK des Motors. Diese Gegen-EMK ist der Grund, warum ein unbelasteter Motor einen geringen Strom zieht, während ein blockierter Motor einen großen Strom zieht. Die Gegen-EMK ist ein Generatoreffekt und ist Null, bis der Motor eine Drehung erreicht.

Jeder Motor, der bei einer Drehzahl von null anläuft, hat einen sehr hohen Strombedarf, bis er auf die Enddrehzahl beschleunigt wird. Diese Beschleunigung ist je nach Masse des Rotors und Drehmoment eine andere Zeitkonstante als die induktive. Die Rohinduktivität eines Wechselstrommotors ist selten so hoch, dass er im Stillstand einen akzeptabel niedrigen Wechselstrom zieht, weshalb Motoren (aber im Allgemeinen keine Induktoren) häufig mit thermischen Sicherungsvorrichtungen ausgestattet sind. Da kann etwas hängen bleiben und die Gegen-EMK verhindern.

Sie stellen viele verwandte Fragen, daher werde ich versuchen, sie etwas zusammenzufassen. Was Ihnen fehlt, ist das Magnetfeld, das aufgebaut wird, indem Strom durch eine Induktivität geleitet wird. Es dauert eine begrenzte Zeit, bis sich das Magnetfeld aufgebaut hat und der Strom seinen Weg durch die Länge des Drahtes gefunden hat.

In Kombination mit Kondensatoren wie in Schaltnetzteilen oder anderen lauten Geräten kombinieren sie, um einen Großteil des transienten Rauschens zu unterdrücken. LC-Filter sind nützlich, wenn ein Widerstand den Strom nicht bewältigen kann und aufgrund von Wärme Leistungsverluste verursacht. Auf die Spitze getrieben können sie als Crossover-Filter für Ihre Lautsprecher fungieren.

Als nächstes kommt der Trick mit der Neonröhre. Denken Sie daran, dass ein Induktor den ihm zugeführten Strom zurückgibt, wenn er ausgeschaltet ist. Aber was ist, wenn dieser Strom keinen Rückweg wie eine Snubber-Diode hat? Dann steigt die Spannung schnell an, bis sie einen Weg findet, in diesem Fall die Neonröhre. Der Strom bei 6 Volt kehrt nun zurück und steigt auf 90 Volt oder mehr an. Wenn die Glühlampe nicht vorhanden wäre, würde der Rückweg über die Schalterkontakte bogenförmig verlaufen und sie langsam ausbrennen.

Lassen Sie sich nicht von den Worten "Laden Sie den Elektromagneten auf" täuschen. Sie laden das Magnetfeld eines Induktors auf, der als Elektromagnet verwendet wird – mehr nicht. Eine Ausnahme wäre dies bei Drahtspulen und einem sehr hohen Magnetfeld (1 bis 2 Tesla), wobei sich das zu magnetisierende Material innerhalb der Spule befindet. Der Strom ist nur für 10 bis 20 US eingeschaltet, aber genug, um die Arbeit zu erledigen. Jetzt haben Sie einen Permanentmagneten hergestellt, dessen Feldstärke etwas geringer ist als die, mit der er magnetisiert wurde.

Die Permeabilität und Zusammensetzung des Materials hat großen Einfluss darauf, wie viel des Magnetfelds dauerhaft absorbiert wird.

Beim Einschaltstrom der induktiven Last muss die Energie berücksichtigt werden, die benötigt wird, um die magnetische Komponente des elektromagnetischen Feldes zu erzeugen.

Zum Zeitpunkt Null, wenn Sie den Schalter umlegen, fließt Strom in den Stromkreis und der Ladungsfluss durch Drahtspulen baut ein Magnetfeld auf. Die Bildung des Magnetfelds nimmt Energie aus dem Stromkreis auf, und diese Energie muss von der Stromquelle zugeführt werden.

Schaltungstechnisch wird die Ausbildung des Magnetfeldes als Verlustleistung in den Leitungen wahrgenommen, wodurch ein Spannungsabfall entsteht (elektrisches Gegenfeld). Dieser "Leistungsverlust" kann von der Stromversorgung berücksichtigt werden, die während dieser Übergangsphase zusätzliche Energie für die Schaltung bereitstellt.

Diese zusätzliche Energie kann als transienter Einschaltstrom angesehen werden.

Dann, einige Zeit später, sobald die Schaltung einen stabilen Zustand erreicht hat, schalten Sie den Schalter aus. Jetzt haben Sie induktive Lasten mit in ihren Magnetfeldern gespeicherter Energie. Das Magnetfeld wirkt wie eine Trägheit und versucht, den Stromfluss aufrechtzuerhalten. Aber der Stromkreis ist offen, sodass kein Strom fließen kann. Ein entgegengesetztes elektrisches Feld wird gebildet, und in Abwesenheit einer dissipativen Schaltung wird es größer und größer, bis schließlich ein Funke entsteht.

In der Praxis haben die induktiven Lasten normalerweise einen dissipativen Stromkreis parallel zu ihnen, der dazu dient, die Energie, die aus dem zusammenbrechenden Magnetfeld in den Stromkreis zurückkehrt, sicher abzuleiten.