Die Drossel und ihre verschiedenen Typen
Wie unterscheidet sich die Drossel von einem Transformator? Auf dieses zentrale Thema gehen wir in diesem Blog Beitrag ein. Unter Anderem werden wir die Luftdrossel, Netzdrossel, DC-Drossel und den Sinusfilter vorstellen.
Drosseln sind Spulen bzw. Induktivitäten, die zur Begrenzung elektrischen Strömen, zur Zwischenspeicherung von Energie, zur Impedanzanpassung (auch Wechselstromwiderstand) oder als Filter verwendet werden.
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Die Funktion einer Drossel basiert auf dem grundlegenden Prinzip, dass ein stromdurchflossender Leiter ein magnetisches Feld erzeugt. Durch dieses Feld wird eine Selbstinduktion verursacht, weil das magnetische Feld die Spule selbst beeinflusst. Daraus resultiert eine Induktionsspannung. Insgesamt lässt sich der Spannungsabfall mit folgender Formel beschreiben:
Der erste Term ist die Induktionsspannung uL und der zweite Teil beschreibt die ohmischen Verluste im Leiter. Ausserdem ist ersichtlich, dass ein zeitabhängiger Strom notwendig ist, damit eine Induktionsspannung ersteht. Die Induktivität ist eine sehr wichtige Kerngrösse der Drossel. Diese ist proportional zum Quadrat der Windungen, da eine Vergrösserung der Windungszahl bei gleichbleibendem Strom eine Erhöhung des magnetischen Felds bedeutet.
Die Funktionsweise einer Drossel fundiert auf der Tatsache, dass die Induktionsspannung immer seiner Ursache entgegenwirkt. Das heisst, es wird ein Zustand ohne magnetische Erregung bevorzugt. Dies wird in der Lenz’sche Regel beschrieben: «Der Induktionsstrom ist stets so gerichtet, dass er der Ursache seiner Entstehung entgegenwirkt».
Mit der oben genannten Theorie kann man sich den Ablauf grob vorstellen: Ein Störimpuls wirkt auf die Drossel. Ein Impuls hat eine hohe zeitliche Änderung, da man in kurzer Zeit von einem niedrigen Wert zu einem hohen Wert geht. Demzufolge wird in der Spule eine Spannung induziert, die dem Störimpuls entgegenwirkt. Der induzierte Strom fliesst gegen den Störimpuls. Somit hat man zwei Ströme mit unterschiedlichen Richtungen, welches eine Reduzierung des Gesamtstromes bedeutet.
Durch die vielfältigen Anwendungen gibt es verschiedene Typen von Drosseln. Einige von diesen werden später in diesem Blog Beitrag erläutert. Eine wichtige Eigenschaft, die für alle Drosseltypen gilt, ist ein niedriger Widerstand, sodass es zu wenigen Verluste führt. Dies ist besonders wichtig, da die Spule in Reihe geschaltet wird und dadurch immer aktiv im Netz ist. Ein vereinfachtes Schaltbild einer Drossel ist unten dargestellt.
Ein wesentlicher Unterschied zum Transformator ist, dass sie in Reihe zu den anderen Bauteilen geschaltet wird. Zudem hat eine Drossel meist nur eine Wicklung und nicht wie der Transformator eine primäre und eine sekundäre Wicklung. Grundsätzlich ist die Funktion einer Drossel die Unterdrückung von Störimpulsen, Funkstörungen etc. wie zum Beispiel Oberwellenanteile von elektrischen Signalen.
Luftdrossel
Luftdrosseln, auch Luftspule genannt, sind Spulen, die keinen magnetischen Kern haben. Das heisst der Kern besteht entweder aus nicht-leitendem Material oder hat überhaupt keinen Kern und somit nur eine Halterung für die Windungen. Luftspulen werden hauptsächlich in Anwendungen mit sehr hohen Frequenzen verwendet, weil keine Sättigung des Kerns, die zur Verzerrung des Stromes führen können, auftreten kann.
Darüber hinaus gibt es keine Hystereseverluste in einer Luftspule, da diese durch die Magnetisierung des Kerns entstehen. Dennoch wird durch das Fehlen eines magnetischen Kerns der magnetische Fluss nicht mehr geführt. Somit entsteht ein relatives hohes Streufeld, verglichen zu anderen Drosseln. Zusätzlich benötigt man für die gleiche Induktivität generell mehr Windungen als bei Drosseln mit magnetischen Kernen. Deswegen ist der ohmische Widerstand und damit verbunden die Verlustleitung höher. Eine weitere Eigenschaft der Luftdrossel ist, dass die Induktivität unabhängig vom fliessenden Strom ist. Jedoch ist die Induktivität im Vergleich zu Drosseln mit Kernen kleiner und somit ist die Begrenzungsfähigkeiten geringer. Anwendungsbeispiele von Luftdrosseln sind Kurzschlussbegrenzungsdrosseln oder Drosseln zur Beeinflussung von Blindleistungen.
Es kann gesagt werden, dass generell die meisten Drosseln einen magnetischen Kern besitzen, da man weniger Windungen braucht und eine höhere Induktivität erreichen kann. Diese magnetischen Kerne bestehen meistens aus Eisenblechen oder Ferriten, welche für höher frequente Anwendungen verwendet werden. Zusätzlich führt der Kern das magnetische Feld, damit die Streufelder reduziert werden. Um eine Sättigung zu vermeiden, werden Luftspalte im Kern verbaut, dadurch kann die magnetische Flussdichte reduziert werden. Zusätzlich wird so ein linearer Induktivitätenverlauf garantiert. Darüber hinaus befindet sich dann der grösste Teil der magnetischen Energie im Luftspalt, weil im Luftspalt die höchste magnetische Feldstärke auftritt.
Netzdrossel (Kommuntierungsdrossel)
Eine Netzdrossel wird oft zwischen dem Versorgungsnetz und dem Umrichter geschaltet. Dessen Aufgabe ist es Stromspitzen zu glätten und die Oberwellenblindleistung zu kompensieren, so dass die Ausgangsspannung wieder eine reine Sinusform hat. Zusätzlich werden Spannungseinbrüche des Netzes begrenzt.
Störungen wie zu hohe Stromspitzen oder Spannungseinbrüche, welche durch Schalthandlungen oder Erdschlüsse verursacht werden, können elektrischen Anlagen schaden oder im schlimmsten Fall zu einen Shutdown führen. Aus diesem Grund gibt es eine Norm, die die Amplitude der Oberwellen begrenzt, da eine durchgängige Funktion des Versorgungsnetzes essenziell für die Infrastruktur ist. Also kann gesagt werden, dass Netzdrosseln für das jetzige und zukünftige elektrische Netz notwendig sind.
Ein Beispiel der Oberschwingungsunterdrückung kann man in der nächsten Abbildung sehen.
Eine spezielle Netzdrossel ist die AC-Drossel, welche auch Kompensationsdrossel genannt wird. Sie ist am besten für das 50Hz-Netz geeignet.
DC-Drossel (Glättungsdrossel)
Glättungsdrosselspulen werden zur Stromglättung in gleichrichtergespeisten Netzen eingesetzt. Ihre Funktion kann anhand der folgenden Abbildung veranschaulicht werden.
Grundsätzlich ist das Ziel jede Art von Schwingung des Gleichstroms rauszufiltern, damit man ein reines DC-Signal am Ausgang hat. Dazu müssen Sie wissen, dass auch Gleichströme Schwingungen haben können und diese in der Anwendung, oft nicht gewollt sind. Aus diesem Grund werden Glättungsdrossel eingesetzt.
Die Funktionsweise ist im Prinzip gleich wie bei den anderen und mit verschiedenen Werten von der Induktivität können unterschiedliche Glättungen erreicht werden. Sie werden in der Leistungselektronik, bei Antrieben von Stahlwerkswalzstrassen und Bergbauförderanlage und Hochspannungsgleichstromübertragungsanlagen eingesetzt.
Sinusfilter- und du/dt-Drossel
Beide Filter wirken wie ein Tiefpass und benötigen einen zusätzlichen Kondensator:
- Bei hohen Frequenzen hat es eine hohe Impedanz und somit werden diese Frequenzen gesperrt
- Bei niedrigen Frequenzen hat es eine kleine Impedanz und somit werden diese Frequenzen durchgelassen.
Um die allgemeine Funktionsweise eines Tiefpasses zu verstehen, wird das Schaltbild eines Tiefpasses betrachtet:
Wobei UE die Eingangsspannung und UA die Ausgangsspannung ist. Darüber hinaus ist es wichtig die Frequenzabhängigkeit der Induktivität L und der Kapazität C zu verstehen. Der Blindwiderstand der Induktivität ist proportional zur Frequenz und der kapazitive Blindwiderstand ist inversproportional zur Frequenz. Wird nun eine niedrige Frequenz angelegt, steigt die Impedanz der Kapazität rapide und kann als Leerlauf betrachtet werden. Dadurch kann kein Strom fliessen und die Ausgangsspannung ist gleich der Eingangsspannung. Steigt die Frequenz, wird die induktive Impedanz immer grösser bis sie so gross ist, dass sie als Leerlauf betrachtet werden kann. Somit fällt die gesamte Spannung über der Induktivität ab und die Ausgangsspannung ist Null. So werden hohe Frequenzen nicht übertragen.
Die beiden Filter haben jedoch wesentliche Unterschiede:
- Bei einem du/dt – Filter ist die Kurzschlussspannung (uk) der Drossel 1-2% der Gesamtspannung, hingegen der Sinusfilter hat eine uk von 6-10%.
- Die Kondensatoren der beiden Filter sind unterschiedlich: 10-100nF beim du/dt – Filter und 1-10µF beim Sinusfilter
- Die Resonanzfrequenz (die Frequenz bei dem die Blindwiderstände der Kapazität und Induktivität gleich sind) ist beim du/dt – Filter deutlich grösser als die Taktfrequenz und beim Sinusfilter ist sie kleiner als die Taktfrequenz, jedoch grösser als die Nennfrequenz
- Aufgrund der kleineren Induktivität und Kapazität des du/dt-Filters, ist dieser grundsätzlich kleiner und kostengünstiger.
- Ein sehr wichtiger Unterschied macht aus, dass nach einem du/dt-Filter die Spannungsform immer noch ein Impuls ist und nur der Stromverlauf sinusförmig ist. Hingegen beim Sinusfilter sind am Ende beide Wellenformen sinusförmig.
Um die Funktionsweise etwas zu veranschaulichen, wird im folgenden Bild anhand eines Graphens der Nutzen eines Sinusfilters dargestellt:
Anhand dieser Abbildung wird ersichtlich, dass das rote Signal gefiltert werden muss, um einen reinen sinusförmigen Strom zu erhalten.
In der folgenden Tabelle werden nochmal einige Vorteile der beiden Filter aufgelistet:
Diese beiden Filter werden zum Beispiel für Frequenzumrichter eingesetzt oder in Anwendungen, in denen bestimmte hohe Frequenzanteile herausgefiltert werden müssen. Beispiele dafür sind Bahnfahrzeuge oder allgemein in der Elektromobilität.
Wir hoffen, dass wir Ihnen mit diesem Beitrag eine Übersicht über die verschiedenen Drosseln geben konnten.
