Netz vor DRSSTC schützen

[MaxZ]

Nabend Leute,


Seitdem mir klar geworden ist, welches Risiko eine DRSSTC für andere Verbraucher im Stromnetz darstellen, grüble ich darüber, wie ich das Problem loswerde. Konkret geht es um die Spitzenströme, die die Brücke zieht: Ich nehme einfach mal meine DRSSTC als Beispiel: die darf sich 1200Apk genehmigen. Die meiste Zeit kommen diese 1200A aus den Buselkos, jedoch nicht wenn die Netzspannung gerade in der Nähe der Scheitelspannung liegt. Dann nützen die Buselkos gar nichts mehr; sie werden in dem Moment ja selbst geladen. Die Brücke, die ihre 1200A zwischen 100 und 500 mal in der Sekunde (Interrutperfrequenz) haben möchte, zieht den Strom dann direkt aus dem Netz. Während zwischen Buselkos und Brücke alles für 1200A ausgelegt ist und ausreichend niederinduktiv ist, ist das (Haus)netz alles andere als niederinduktiv. Die Folge dürften gefährlich hohe Spannungsspitzen überall sein.

Was könnte dagegen helfen? Ich habe mir ein paar Gedanken zu möglichen Schutzmaßnahmen gemacht:

• Klassiker vor: der Stelltrafo. Durch seine Induktivität begrenzt er den maximalen Strom automatisch. Aber was ist, wenn ich den Stelltrafo voll aufdrehe? Dann habe ich keine Induktivität mehr in Serie zum Verbraucher, sondern parallel zu ihm. Ich glaube nicht, dass er dann noch irgendwie den Strom begrenzt - oder übersehe ich da was?
  Wäre er in Serie zur Spule nicht eine Alternative zur Netzdrossel? Man könnte die Induktivität auf den gewünschten Wert einstellen.
• Netzdrossel: Scheint mir bisher die einfachste Lösung. Einfach ein paar mH vor die DRSSTC hängen und der Strom ist auf einige zig Ampere begrenzt. Nur ist diese Lösung ziemlich teuer: "ein paar mH" für 16A gibt's nicht für lau.
  Welche Werte wären überhaupt sinnvoll?
• Filter: Davon gibt's reichlich - die meisten in dieser Leistungskategorie sind für Frequenzumrichter gedacht. Ich glaube nicht, dass diese Filter dafür geeignet sind, die Spitzenströme einer DRSSTC vom Netz fernzuhalten.
• Aktive PFC: Definitiv keine einfache Lösung, dafür aber zwei Fliegen mit einer Klappe geschlagen: Die DRSSTC zieht den Strom nicht mehr direkt aus dem Netz und der Leistungsfaktor steigt von 0,6 auf weit über 0,9. Für mich bisher die interessanteste Lösung. Gibt es hierfür noch andere Ansätze als Steve Wards Boost Converter?
• Resitive Strombegrenzung:

Großes Problem: Alle Lösungen werden erheblich teurer und aufwendiger, wenn sie dreiphasig funktionieren sollen. Ich habe keinen 3-Phasen Variac, keine 3-Phasen Netzdrossel und ich weiß noch nicht einmal ob überhaupt schon jemals einer eine 3-Phasen PFC für ne DRSSTC gebaut hat. Außerdem sind alle drei Lösungen für 3 Phasen viel zu teuer.
Darüber hinaus frage ich mich, auf wie viele Ampere ich den Netzstrom überhaupt begrenzen muss, damit andere Geräte sicher sind.

Hoffentlich fällt euch dazu mehr ein als mir!


Liebe Grüße,
Max

Edit: Filter ergänzt

[kilovolt]

Guten Morgen Max

ich will diese Sache nicht verharmlosen, aber:
Zum einen hat man diese Situation der schnellen Stromaufnahme auch durch den Ladevorgang der Buselkos selber, denn diese stellen ja im leeren Zustand auch mehr oder weniger einen Kurzschluss dar. Zum anderen fragt sich, ob sich die Buselkos während dem Betrieb überhaupt zu irgnedeinem Zeitpunkt vollständig entladen, wohl eher nicht. Ich vermute hier eher, dass sie sich vielleicht während eines 50Hz-Zyklus zur Hälfte entladen und dann wieder nachgeladen werden. Da kommt es dann nicht zu solchen Extremsituationen. Zum dritten mag es sein, dass das Netz eine gewisse Serieinduktivität aufweist, aber es macht schon mal einen Unterschied, ob Spannungsspitzen entlang eines Leiters entstehen, oder ob diese zwischen zwei Leitern entstehen. Dann hängen da ja immer auch noch eine Menge unterschiedliche Lasten am Netz, welche allfällige Spannungssspitzen zwischen Neutralleiter und Phase gemeinsam kurzschliessen. Und nicht zuletzt hat das Netz als Quelle gesehen ja auch eine gewisse Niederohmigkeit, die auch keine beliebige Fortpflanzung von Spannungsspitzen ermöglicht. Und noch eine letzte Sache: Wenn man einer Quelle wie hier dem Netz eine hohe Serie-Induktivität unterstellt, die Spannungsspitzen erzeugen könnte bei schnellen Stromänderungen, dann müsste man konsequenterweise auch sagen, dass dieses Netz gerade durch die Serieinduktivitäten den Stromanstieg entsprechend bremst. Das Netz wird hinsichtlich Schnelligkeit in keinster Weise mit den Buselkos vergleichbar sein. Es mag zwar sehr hohe Ströme bringen, aber vermutlich nicht mit 100kHz und Anstiegsflanken von 100ns.

Ich behaupte mal eines: Wenn die Serieinduktivität ein erhebliches Problem darstellen würde, dann dürfte man sich auch niemals einen satten Kurzschluss im Netz erlauben, da auch ein solcher eine entsprechende Spannungsspitze verursachen würde.

Beste Grüsse
kilovolt

[MaxZ]

Hallo kilovolt,


Wenn das Problem nicht so schlimm wäre, woher kommt dann die Empfehlung, eine DRSSTC nur per Variac zu betreiben?

Ich habe den Fall mal in LTSpice simuliert. Dazu habe ich Netzspannung gleichgerichtet, mit 7.500uF geglättet, und daran eine Last gehangen, die alle 1ms während 100us 10 mal 1200A zieht. Stellt also eine DRSSTC mit Fres=100kHz, BPS=1000, Ontime=100us (Tastgrad 10%) dar. Die Last ist etwas zu stark, da der Primärstrom in Wirklichkeit von null aus ansteigt, das Prinzip/Problem ist trotzdem deutlich sichtbar.

Rot: Netzspannung gegenüber Gleichrichter-Minus
Blau: Brückenspannung
Grün: Stromaufnahme aus dem Netz

Man sieht schön die Stromrampe (auf der grünen Kurve), die durch das Laden der Buskapazität verursacht wird. Schaltet die Spule während dieser Zeit, wird sichtbar, dass das Netz den vollen Primärstrom liefern muss. Egal welche Interrupterfrequenz man wählt und egal welchen Primärstrom man fährt, es kann im normalen DRSSTC-Betrieb nicht verhindert werden, dass das Netz regelmäßig mit dem Primärstrom belastet wird (da man mit dem Interrupter nie 100% genau die Netzfrequenz treffen kann und sich ganz abgesehen davon niemand auf 50BPS begrenzen will )

Wenn ihr mir versichern könnt, dass sich andere Verbraucher im Netz nicht an den "Begleiterscheinungen" von 1200A Spitzen stören, soll's mir auch recht sein. Unabhängig davon würde ich gerne wissen, ob es noch andere PFC-Ansätze für DRSSTC gibt.
Nachtrag: Für mich ist diese Frage auch deshalb wichtig, weil meine Spule regelmäßig auf Veranstaltungen vorgeführt werden wird. Wenn da was zu Schaden kommt (Bühnentechnik, etc), gibt's bestimmt mächtig Ärger. Ich muss also sicherstellen, dass das nicht passiert - zumindest für den Normalbetrieb (also Crashs ausgenommen).

Liebe Grüße,
Max

[kilovolt]

Max, nimm es mir nicht übel, aber mit einer solchen Simulation kann ich nicht viel anfangen. Theorie ist das eine, Praxis das andere. So schön die Simulation auch aussieht, sie kann die Realität nicht oder höchstens sehr begrenzt widerspiegeln. Wer sagt jetzt, wie der Stromfluss tatsächlich aussieht? Die Simulation betrachtet das Netz wohl als ideale Spannungsquelle, was kompletter Unsinn ist in einer solchen Situation. Das Netz wird diese Spitzen nie so bringen, sonst bräuchte man auch gar keine Buselkos. Wenn überhaupt ein Strom vom Netz fliesst, wird es in der Realität eher so sein, dass der Strom sehr viel tiefer ausfällt und dafür länger andauert. Dies ist aber dann ein massiver Unterschied hinsichtlich möglicher, induktiver Spannungsspitzen. Diese 1200A Stromspitzen wirst Du messtechnisch ganz bestimmt nicht nachweisen können.

EDIT: Ausserdem bin ich der Meinung, dass grössere Buscaps das problem eliminieren oder zumindest deutlich abschwächen könnten. Setze doch mal in Deiner Simulation grössere Kapazitäten ein und schau, was passiert.

Beste Grüsse
kilovolt

[MaxZ]

Hallo kilovolt!


Ich muss gestehen, du verwirrst mich etwas

Natürlich bringen die Kondensatoren auch kurzzeitig hübsche Entladeströme, aber, was da kommt, ist nicht vergleichbar mit dem Netz, wenn es kurzgeschlossen wird

In dem Kontext ging es um Spitzenströme aus den Buselkos im Vergleich zu dem, was das Netz liefert. Wenn das, was die Buselkos im Kurzschlussfall liefern, also einige 1000A, nicht einmal vergleichbar ist mit dem, was das Netz liefern kann, verstehe ich nicht, warum eben dieses Netz nicht die 1200A liefern kann.

Größere Buskondensatoren bringen erwartungsgemäß wenig. Ich habe den Wert auf 50.000uF erhöht - mehr als ich je in einer DRSSTC gesehen habe. Wirkung: der Zeitraum in dem die Buselkos vom Netz geladen werden hat sich verkürzt, da die Ladespannung weniger absinkt. Nach wie vor werden Stromspitzen in dieser Zeit nicht abgeschwächt. Wie ich schon sagte, es ist egal welche Werte die Buskondensatoren und die DRSSTC haben. In dem Moment, in dem die Buselkos geladen werden müssen, können sie nicht jene Quelle, die sie selbst belasten, entlasten. Anders gesagt: so schnell der Primärkreis den Buselkos Strom entnimmt, so schnell liefert das Netz jenen Strom nach. Das Netz kann ja schlecht sagen "Oh, die Buselkos werden gebraucht, dann ignoriere ich mal, dass ich sie jetzt eigentlich laden müsste und fahre nachher fort"...
Wenn das Netz nun - entgegen deiner zitierten Aussage - einen signifikanten Innenwiderstand hätte, würde der Strom natürlich entsprechend absinken. Entweder limitiert das Netz den Stromfluss oder der Primärkreis. Leider kann ich in den nächsten Wochen sicher nicht die Stromaufnahme per Oszilloskop genau nachmessen.


Liebe Grüße,
Max

[kilovolt]

Hallo Max

In dem Kontext ging es um Spitzenströme aus den Buselkos im Vergleich zu dem, was das Netz liefert. Wenn das, was die Buselkos im Kurzschlussfall liefern, also einige 1000A, nicht einmal vergleichbar ist mit dem, was das Netz liefern kann, verstehe ich nicht, warum eben dieses Netz nicht die 1200A liefern kann.

Das, was Du da von einer meiner früheren Aussagen genommen hast, war nicht auf den reinen Strom bezogen, sondern auf die Energie, die etwas verwüstet. Der Elko ist sehr sehr schnell leer. Ein Kurzschluss des Netzes wird jedoch erst nach einer geraumen Zeit abgeschaltet, nämlich dann, wenn die Sicherung fliegt. Da können Dir die Halbleiter der Brücke viel schlimmer entgegenspringen als bei einer reinen Elkoentladung. Wieviel das Netz dann schlussendlich liefert, hängt von diversen Faktoren ab. Tatsache ist aber ganz sicher, dass das Netz keine solch schnellen Impulsströme bringt wie der Bus-Elko. Das ist das, was ich weiter oben umschrieben habe.

Nochmals: Man muss unterscheiden, ob eine Quelle einen Strom sofort bringen kann oder nicht. Wenn eine Last nur während sehr sehr kurzer Zeit Strom fordert wie in diesem Fall, die Quelle jedoch nicht so schnell reagieren kann (resp. ungenügend reagieren kann), dann steigt der Strom höchstens bis zu einem gewissen Wert, der eben durch die ganzen Leitungsinduktivitäten gegeben ist. Das heisst deswegen noch lange nicht, dass man das, was das Netz im dauerhaften Kurzschlussfall bringt, wenn die Halbleiter durchbrennen, unterschätzen darf. Das sind zwei ganz verschiedene Paar Schuhe.

Tatsache ist aber eben auch, dass selbst durch einen satten Kurzschluss des Netzes offenbar keine wirklich kritische Spannungsspitze entsteht, sonst gingen die Geräte am Netz schon bei alltäglichen Fehlersituationen kaputt, denn ob da jetzt eine grosse Spannungsspitze daherkommt oder mehrere dürfte für einen Schaden völlig unerheblich sein. Die durch hohen Stromfluss auf der Netzseite entstehenden Spannungsspitzen können also wohl nicht sooo wild sein, halt eben auch aus anderen Gründen wie beispielsweise einer dauerhaften Grundlast auf dem Netz, welche teilweise sogar leicht kapazitiv sein kann und Spannungsspitzen schluckt.

Beste Grüsse
kilovolt

[MaxZ]

Hallo kilovolt,

Besten Dank für die Klarstellung, da hatte ich dich in der PN falsch verstanden. Du bleibst also nach wie vor der Meinung, dass eine DRSSTC anderen (Haushalts)geräten keinen Schaden zuführen kann, wenn sie direkt ohne Variac, etc am Netz hängt? Natürlich abgesehen von den Feldern, die die Spule selbst erzeugt.

Liebe Grüße,
Max

[kilovolt]

Sagen wir's mal so: Ich halte Schäden unter sehr ungünstigen Umständen nicht für völlig unmöglich, aber für unwahrscheinlich. Dies nicht zuletzt auch deshalb, weil es da draussen sicher hunderte wenn nicht tausende DRSSTCs gibt und man eigentlich nirgends von einem Schaden lesen kann, welcher über Netzrückwirkungen entstanden wäre.

Bei SGTCs könnte die Sachlage jedoch anders aussehen. Dort ist die Situation meiner Ansicht nach heikler, weil der Primärkondensator dort sehr hohe Spannungen speichert und damit durch Rücktransformation über den Netztrafo ggf. etwas zurückgespeist werden könnte. Mit einem guten Netzfilter kann man aber wohl auch da Abhilfe schaffen.

Beste Grüsse
kilovolt

[Thunderbolt]

Wäre mal interessant, wie sich die simulation verhält, wenn du dem stromnetz einen induktiven anteil verpasst ich würde vermuten, dass dann, wie kilovolt schon gesagt hat, die situation besser aussieht. nicht umsonst werden in schaltnetzteilen einfache drosseln als PFC verwendet...

Weiterhin wäre es interessant, ob es einen unterschied macht, ob die drossel vor oder nach dem gleichrichter hängt (in der praxis sicher, sättigung etc.)

[Ribbel]

Hi Max,

der Beitrag ist zwar schon ein Weilchen her, aber ich wollte hier mit einem kleinen Beispiel auch nochmal etwas zur Netzimpedanz sagen.

Ich habe mal eine VDE 0100 Messung an einem 10m Kabel vorgenommen, das an einem 32A Verteilerwürfel angeschlossen war:

Ich vermute mal, dass das Netz Zuhause eine noch schlechtere Impedanz hat. Das Netz hier kann im Kurzschlussfall einen Strom von 275A bereitstellen. Aber der Kurzschluss bedeutet auch, dass 0V zwischen L und N anliegen. Wenn deine Buselkos entladen auf 0V wären, könnte also hier ein maximaler Spitzenstrom von 275A entstehen.

Die meiste Zeit kommen diese 1200A aus den Buselkos, jedoch nicht wenn die Netzspannung gerade in der Nähe der Scheitelspannung liegt.

Bei 1200A aus dem Netz müsste dir ja auch direkt die Sicherung fliegen.

Das Netz kann die 1200A nicht mit der gewünschten Scheitelspannung bereitstellen, sie würde einbrechen und der Buselko puffert das ab. Nehmen wir einfach willkürlich an, dass der Buselko sich auf 250V entläd, dann könnte das Netz (von der Messung oben) ab einer Spannung (Netzspannung vollgleichgerichtet) von 250V/Wurzel(2)=177V den Kondensator maximal mit einem Strom von (230V-177V)/0,82Ohm=65A laden.

Und zur Sicherung: Die 65A hält eine B16A Sicherung knapp für ein paar wenige ms durch. Eine C16A Sicherung wäre hier die bessere Wahl der Absicherung.

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Das Ganze bedeutet aber nicht, dass eine TC keine Netzrückwirkung hat. Durch das Schalten können natürlich Oberschwingungen entstehen und diese sind streng geregelt einzuhalten. Grenzwerte bei bestimmten Frequenzbereichen müssten in der DIN VDE 0875 geregelt sein. Leider hatte ich noch nicht das Vergnügen mich in diese Norm einzulesen, das steht in Zukunft aber noch aus. Zudem werde ich, nachdem meine QCW fertig ist, die Netzspannung und deren Oberschwingungen analysieren und dann auch berichten, ob man gar weit von den Grenzwerten entfernt ist.

Freundliche Grüße
Ribbel