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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Einschaltstrombegrenzung
für einen
Transformator sowie einen Transformator mit einer solchen Vorrichtung.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Begrenzung des
Einschaltstroms für
einen Transformator.
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Transformatoren
zeigen typischerweise einen hohen Einschaltstrom. Er kann mehr als
das 10-fache des Arbeitsstroms betragen. Wird ein Transformator
beispielsweise im Moment des Nulldurchganges der Netz-Wechselspannung
eingeschaltet und weist seine Restmagnetisierung in dieselbe Richtung
der Spannungshalbwelle, gerät
der Kern des Transformators mehr oder weniger weit in Sättigung.
Der Strom wird dann in der Hauptsache vom ohmschen Widerstand des
Leiters, beispielsweise Wicklung und Zuleitung, begrenzt und der
unsymmetrische magnetische Flussverlauf wird nur langsam über diese
Widerstände
abgebaut.
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Mehrere
Ansätze
zur Behandlung des Problems der Einschaltströme sind bekannt. So können für den Transformator
sehr träge
Sicherungen verwendet werden, wodurch die Einschaltströme zugelassen
werden. Dies hat den Nachteil, dass im Falle eines Kurzschlusses
durch die Sicherung auch ein hoher Kurzschlussstrom über eine
verhältnismäßig lange
Zeit zugelassen wird. Weiterhin ist bekannt, den Einschaltstrom über vorgeschaltete
Widerstände oder
Drosseln zu begrenzen. Nachteilig ist, dass bei dieser Lösung in
den Widerständen
hohe Verlustleistungen entstehen. Die dadurch in den Widerständen erzeugte
Wärme muss
bei großen
Transformatoren auch noch geeignet abgeführt werden. Weiterhin sorgt
diese Lösung
für lange
Einschaltzeiten. Auch bei Verwendung eines Sanftanlaufs sind lange
Einschaltzeiten nicht vermeidbar. Bei der vierten bekannten Lösung schließlich wird
mittels eines sog. Transformator-Schaltrelais (TSR), der Transformator vor
dem eigentlichen Einschalten vormagnetisiert durch Vormagnetisierpulse.
Hierdurch fällt
der Einschaltstrom beim vollständigen
Einschalten des Transformators geringer aus. Nachteilig an der letzten
Lösung
sind ebenfalls lange Einschaltzeiten. Weiterhin muss die Lösung auf
einen gegebenen Transformator abgestimmt werden.
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Aus
der
DE 100 16 999
B4 ist ein Verfahren und ein Vorschaltgerät zur Begrenzung
des Einschaltstroms bekannt, bei denen der Stromfluss primärseitig
bei Überschreiten
eines maximalen Laststroms unterbrochen wird und mit Auftreten eines nachfolgenden
Schaltimpulses einer Schaltimpulsfolge wieder zugeschaltet wird.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Möglichkeit
anzugeben, bei einem Transformator den Einschaltstrom zu vermindern.
Hierfür
sollen eine Verfahren und eine Vorrichtung angegeben werden.
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Hinsichtlich
des Verfahrens wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen
von Anspruch 1 gelöst.
Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung
mit den Merkmalen von Anspruch 9 gelöst.
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Beim
erfindungsgemäßen Verfahren
zur Begrenzung des Einschaltstroms bei einem Transformator wird
in einer elektrischen Leitung zum Transformator der Strom und/oder
die zeitliche Veränderung
des Stroms ermittelt wird. Überschreitet
der Strom und/oder die Änderung
des Stroms mit der Zeit einen Schwellwert, wird die Verbindung der
Leitung zum Transformator unmittelbar unterbrochen. Daraufhin wird
nach Verstreichen einer festlegbaren Abschaltdauer von weniger als
30 ms Dauer die Verbindung der Leitung wieder hergestellt. Bevorzugt
wird eine Abschaltdauer von 1 ms oder alternativ 2 ms oder 5 ms
oder 500 μs
gewählt.
Es ist zweckmäßig, die
Abschaltdauer deutlich geringer als eine Halbwellendauer bei der
jeweiligen Spannungsfrequenz zu wählen, also beispielsweise geringer
als 10 ms bei 50 Hz Netzfrequenz oder deutlich geringer als 30 ms
bei der Bahn-Netzfrequenz von 16,6 Hz.
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Das
erfindungsgemäße Vorschaltgerät zur Begrenzung
des Einschaltstroms bei einem Transformator ist mit wenigstens einer
elektrischen Leitung zum Transformator verbindbar. Es weist folgende Komponenten
auf:
- – Eine
Einrichtung zur Ermittlung des Stroms und/oder der zeitlichen Veränderung
des Stroms durch die Leitung und
- – Schaltmittel
zur Unterbrechung der Verbindung der Leitung zum Transformator.
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Es
ist weiterhin derart ausgestaltet, dass bei Überschreiten eines Schwellwerts
durch den Strom und/oder die zeitliche Änderung des Stroms die Verbindung
der Zuleitung durch die Schaltmittel unmittelbar unterbrochen wird
und nach dem Verstreichen einer festlegbaren Abschaltdauer von weniger
als 30 ms die Verbindung der Leitung wieder eingeschaltet wird.
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Unter
der Messung von Strom und/oder zeitlicher Veränderung des Stroms ist dabei
bevorzugt eine ständige
Messung zu verstehen, also beispielsweise eine passive, ununterbrochene Überwachung oder
eine aktive Messung in sehr geringer zeitlichen Abständen von
beispielsweise 50 μs.
Die weiteren Verfahrensschritte werden bevorzugt wiederholt ausgeführt, falls
nötig. Überschreitet
als Beispiel der Stromanstieg eine Schwelle, so wird nach der Abschaltung
der Leitung und ihrer Wiederzuschaltung weiterhin gemessen und bei
erneuter Überschreitung des
Schwellwerts auch erneut abgeschaltet usw.
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Die
Erfindung erreicht so eine sehr schnelle Einpendelung des Transformators,
bei der keine ausgeprägten
Sättigungserscheinungen,
und somit keine erhöhten
Einschaltströme
mehr auftreten. Die dafür
nötige
Zeit beträgt – im Gegensatz
zu den aus dem Stand der Technik bekannten Methoden – in der Regel
weniger als eine Spannungsperiode, also beispielsweise 20 ms bei
50 Hz Netzfrequenz. Gleichzeitig werden hohe Energieverluste und
die damit verbundene Abwärme
vermieden. Hierbei wird erkannt, dass es Vorteile bietet, eine unmittelbare
Abschaltung der Leitung vorzunehmen und nicht, wie im Stand der
Technik z. T. nötig,
auf einen Nulldurchgang des Stroms zu warten.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird nach einer
festlegbaren Einschaltdauer die Verbindung der Leitung nicht mehr
unterbrochen. Es wird also das Verfahren nach der Einschaltdauer, die
beispielsweise eine Länge
von 1 s oder zwei Vollwellen, also 40 ms bei 50 Hz Netzfrequenz,
nicht mehr fortgesetzt. Hierdurch wird erreicht, dass das Verfahren bzw.
das Vorschaltgerät
nicht die Funktion einer Sicherung behindert durch ein ständiges Abschalten
und Wiederzuschalten im Fehlerfall.
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Zweckmäßigerweise
wird der Schwellwert für
den Strom größer als
der maximale Betriebsstrom des Transformators im Nennbetrieb gewählt, um
ein Abschalten bei normalen Betriebsverhältnissen zu vermeiden. Das
Gleiche gilt analog für
einen Schwellwert für
die zeitliche Änderung
des Stroms.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung
wird die Spannung auf der Leitung gemessen und ein erster Einschaltzeitpunkt für den Transformator
anhand der Spannung gewählt.
Hierdurch kann der erste Einschaltzeitpunkt von vornherein vorteilhaft
gewählt
werden und so der Einschaltstrom vermindert bzw. die Anzahl an Ein- und
Ausschaltzyklen für
das erfindungsgemäße Verfahren
vermindert werden. Beispielsweise kann für eine induktive oder ohmsch-induktive
Last der Einschaltzeitpunkt so gewählt werden, dass die Spannung
auf der Leitung gerade maximal ist.
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Eine
weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, eine Temperaturmessung
vorzusehen, beispielsweise über
ein Pt1000-Element.
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Bei
dem Transformator bzw. der vorgesehenen Last kann es sich um einen
Transformator für
geringe Leistungen handeln, beispielsweise im Watt-Bereich. Die
Erfindung ist auch anwendbar auf Transformatoren für Leistungen
im Kilowatt oder Megawatt-Bereich.
Bei hohen Leistungen kann es vorteilhaft sein, parallel zu den Schaltmitteln
weitere Bauelemente vorzusehen, die der Entlastung der Schaltmittel
dienen, beispielsweise antiseriell geschaltete zusätzlichen
Dioden. Auch eine Spannungsbegrenzung kann dann vorteilhaft sein,
beispielsweise durch einen parallel geschalteten Varistor.
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Der
Transformator kann für
eine oder mehrere Phasen ausgelegt sein. Werden mehrere Phasen verwendet,
so wird das erfin dungsgemäße Verfahren bevorzugt
unabhängig
für jede
einzelne Phase durchgeführt.
Das Vorschaltgerät
weist in diesem Fall bevorzugt die nötigen Elemente für jede Phase
auf.
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Das
erfindungsgemäße Vorschaltgerät kann vollständig aus
passiven Elementen aufgebaut sein, so dass die Messung des Stroms
bzw. seiner zeitlichen Änderung
einer Umsetzung von Strom und Spannung auf der Leitung mittels beispielsweise
Widerständen
in andere Spannungswerte entspricht, beispielsweise in Form einer
Messung des Stroms als Spannungsabfall über einen Shuntwiderstand. Bei
geeigneter Wahl des Shuntwiderstands kann auch eine völlig passive
Ansteuerung der Schaltmittel erfolgen. Alternativ ist auch ein teilweise
oder vollständig
aktiver Aufbau möglich,
beispielsweise über einen
GMR-Sensor oder Hall-Sensor als Stromsensor, wobei dessen Signal
in einem Mikroprozessor ausgewertet wird und dieser wiederum eine
aktive Gate-Steuerung kontrolliert. Hierbei ist wiederum auch eine
externe Steuerung des gesamten Vorschaltgeräts von außen, beispielsweise über eine RS232-Schnittstelle, möglich.
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Bei
den Schaltmitteln handelt es sich bevorzugt um zwei einzelne oder
Gruppen von Halbleiterschaltern, die antiseriell miteinander verbunden
sind. Hier können
beispielsweise MOSFETs, IGBTs oder JFETs oder Kombinationen davon
zum Einsatz kommen. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung von SiC-JFETs, da hierdurch
die Verluste in den Schaltmitteln vermindert werden.
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Weitere
Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand eines in der
Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels
erläutert.
Dabei zeigen schematisch:
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1 ein
Vorschaltgerät
für eine
Phase eines Transformators,
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2 ein
Ablaufdiagramm für
die Einschaltstrombegrenzung,
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3 einen
gemessenen zeitlichen Ablauf für
den Strom auf der Phase des Transformators.
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1 zeigt
ein beispielhaftes Vorschaltgerät 10 zur
Einschaltstrombegrenzung für
einen Transformator 11 gemäß einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung.
Die Elemente des Vorschaltgeräts 10 sind dabei
nur für
eine Phase, also Leitung 12 zum Transformator 11 dargestellt.
Vorzugsweise wird mit jeder Phase des Transformators 11 entsprechend
verfahren. Die einzelnen Schritte 1...7 (2),
d. h. die Strommessung, die Spannungsmessung, das Ab- und Anschalten
der Leitungen 12 werden dabei für jede Phase unabhängig von
den anderen Phasen betrieben. Viele der Elemente des Vorschaltgeräts 10 der 1 sind
nicht unbedingt notwendig und können
weggelassen werden zugunsten eines einfacheren Aufbaus.
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Die
Leitung 12 zum Transformator 11 für die dargestellte
Phase ist dabei durch eine Parallelschaltung aus mehreren Elementen 17...21 unterbrochen. Parallel
geschaltet sind hierbei ein Varistor 17, zwei antiseriell
geschaltete Dioden 18 und Halbleiterschalter 20, 21.
Der Varistor 17 dient der Begrenzung der Spannung über die
Halbleiterbauelemente 18, 20, 21 und
ist vorzugsweise bei hohen erwarteten Energien zu verwenden. Die
beiden Dioden 18 dienen der Entlastung der intrinsischen
Dioden der Halbleiterschalter 20, 21 und sind
ebenfalls optional. Die eigentlichen Halbleiterschalter 20, 21 sind
in diesem Ausführungsbeispiel
zwei Kaskoden-Paare 19 aus jeweils einem Siliziumkarbid-(SiC-)Feldeffekttransistor 20 und
einem n-Kanal MOSFET 21. Die zwei Paare 19 sind
antiseriell gegeneinander geschaltet. Durch den Kaskodenaufbau aus
einem SiC-JFET 20 und
eine n-Kanal MOSFET 21 wird vorteilhaft ein normally-off-Bauteil
realisiert mit geringen Verlusten.
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In
Reihe mit der vorstehend beschriebenen Parallelschaltung ist ein
GMR-(Giant Magneto Resistance-)Stromsensor 13 vorgesehen.
Statt diesem können
beispielsweise auch ein Hall-Sensor oder ein einfacher Shunt-Widerstand
für die
Ermittlung und Überwachung
des Stroms 21 verwendet werden. Der GMR-Stromsensor 13 ist über einen
Sigma-Delta-Modulator 14 mit einem Mikroprozessor 15 verbunden,
der als Gesamtsteuerein heit für
die Strombegrenzung fungiert. Dieser wiederum ist vorzugsweise potentialgetrennt
verbunden mit einer Gate-Steuerungseinheit 16 und
kann diese steuern, um die Halbleiterschalter 20, 21 leitend
oder sperrend zu schalten. Die Gate-Steuerungseinheit 16 ist dazu
mit einem gemeinsamen Abgriff der Gates der Halbleiterschalter 20, 21 sowie
der Mitte der beiden Dioden 18 verbunden.
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Zur
Bestimmung der über
die Halbleiterschalter 20, 21 abfallenden Spannung
weist die Gate-Steuerungseinheit 16 weiterhin noch zwei
Verbindungen zum Eingang und Ausgang der Parallelschaltung auf.
Weiterhin ist zur Messung der Phasenspannung ein Abgriff des Eingangs
der Parallelschaltung über
einen Spannungsteiler 22 und einen Analog-Digitalkonverter 24 zum
Mikroprozessor 15 vorgesehen. Eine Spannungsversorgung 23 ist
für die Gate-Steuerungseinheit 16,
den Mikroprozessor 15 und die Spannungsmessung vorgesehen.
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Schließlich ist
als weitere optionale Komponente ein Pt1000-Element 25 zur Temperaturbestimmung
vorhanden. Der Mikroprozessor 15 weist optional eine potentialgetrennte
RS232-Verbindung 26 zur Steuerung des Vorschaltgeräts 10 auf.
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Ein
beispielhafter Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens soll nun mit
Bezug auf das Vorschaltgerät 10 aus 1 anhand
des Diagramms in 2 beschrieben werden. Im Kern
des Beispiels stehen dabei ein erster bis vierter Schritt 1...4.
Weitere Schritte 5, 6, 7 betreffen Anfang
und Ende des Ablaufs.
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Zu
Beginn steht in einem fünften
Schritt 5 eine Messung der Spannung 33 über die
sperrenden Halbleiterschalter 20, 21 des Vorschaltgeräts 10.
Erreicht die Spannung 33 einen festgelegten Wert, beispielsweise
das Maximum wie in 3, so wird die Phase in einem
sechsten Schritt 6 zugeschaltet, d. h. die Halbleiterschalter 20, 21 durch
die Gate-Steuerungseinheit 16 leitend geschaltet. Das Verfahren
tritt danach in eine sich üblicherweise
wiederholende Phase ein.
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Im
ersten Schritt 1 wird der Strom 31 durch die Leitung 12 zum
Transformator 11 gemessen und durch den Mikroprozessor 15 mit
einem Schwellwert 37 verglichen. Alternativ oder zusätzlich kann
auch die zeitliche Änderung
des Stroms 31, konkret ein Anstieg des Strombetrags betrachtet
werden. Dieser Schritt ist dabei als dauerhafter Vorgang zu verstehen,
es wird also so lange gemessen, bis der Schwellwert 37 überschritten
wird. Überschreitet
der Strom 31 bzw. dessen Anstieg den Schwellwert 37, so
wird in einem zweiten Schritt 2 eine Abschaltung der Leitung
vorgenommen, indem die Halbleiterschalter 20, 21 über den
Mikroprozessor 15 und die Gate-Steuerungseinheit 16 abgeschaltet
werden, d. h. sperrend geschaltet werden.
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In
der Folge wird in einem dritten Schritt 3 eine festgelegte
Abschaltdauer, beispielsweise 1 ms abgewartet. Statt 1 ms können auch
andere Werte wie beispielsweise 500 μs, 2 ms, 5 ms oder 10 ms verwendet
werden. Danach (Schritt 4) wird durch den Mikroprozessor 15 und
die Gate-Steuerungseinheit 16 die Phase wieder zugeschaltet,
indem die Halbleiterschalter 20, 21 leitend geschaltet
werden. Sodann kehrt das Verfahren wieder zum ersten Schritt 1 zurück und es
wird erneut der Strom 31 gemessen und geprüft, ob er
oder seine zeitliche Änderung
den Schwellwert 37 überschreitet.
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Ist
der Schwellwert 37 wie in 3 angedeutet
zweckmäßigerweise
so gelegt, dass er höher
ist als der maximale Stromwert oder die maximale zeitliche Änderung
im Nennbetrieb, so kann das Vorschaltgerät 10 im Prinzip auch
nach der Einschaltphase des Transformators 11 aktiviert
bleiben. Da im Nennbetrieb der Schwellwert 37 nicht mehr überschritten
wird, findet im Normalfall auch keine Abschaltung mehr statt. Es
ist aber auch möglich,
beispielsweise nach Verstreichen einer Zeit von 1 s, das Vorschaltgerät 10 in
einem siebten Schritt 7 in einen Standby-Zustand zu schalten,
in dem beispielsweise kein Vergleich mit dem Schwellwert 37 mehr
stattfindet im Mikroprozessor 15 und somit auch keine weitere
Abschaltung mehr stattfindet. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, das
Vorschaltgerät 10 nach
der Einschaltphase durch einen mechanischen Schalter zu überbrücken.
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3 zeigt
einen gemessenen zeitlichen Ablauf des Stroms 31 durch
eine Zuleitung 12 des Transformators 11. Weiterhin
ist in 3 die Spannung 33 über das Vorschaltgerät 10 sowie
der Status des Einschaltsignals 32 für die Halbleiterschalter 20, 21 dargestellt.
Der Schwellwert 37 ist in 3 ebenfalls
dargestellt.
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Ein
erster Einschaltzeitpunkt 34 wird anhand der mit dem Spannungsmesser
ermittelten Spannung 33 über das Vorschaltgerät 10 zu
einem Zeitpunkt maximaler Spannung gewählt. Beim ersten Einschaltzeitpunkt 34 werden
die Halbleiterschalter 20, 21 eingeschaltet, sodass
sie leitend werden. Hierdurch bricht die Spannung 33 über dem
Vorschaltgerät 10 zusammen,
während
der Strom 31 die sinusförmige
Form der Spannung auf der Phase annimmt. Bei einem zweiten Zeitpunkt 35 beginnt
nun der Strom 31 durch eine Sättigungserscheinung des Transformators 11 stark
im Betrag zu steigen; in 3 ist er zu diesem Zeitpunkt
negativ. Dies wird von der Strommessung detektiert. Unmittelbar,
also sofort und ohne auf einen Nulldurchgang des Stroms 31 zu
warten, werden daher die Halbleiterschalter 20, 21 abgeschaltet,
wie am Einschaltsignal 32 erkennbar und der Stromfluss
so unterbrochen. Die sofortige Abschaltung bewirkt, dass der im
Betrag ansteigende Strom 31 sich nur als kurze Stromspitze
in 3 äußert.
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Nach
einer festgelegten Abschaltdauer 38 von in diesem Beispiel
1 ms schaltet das Vorschaltgerät 10 wieder
ein. Das heißt,
beide Halbleiterschalter 20, 21 werden wieder
leitend geschaltet. In diesem Ablauf-Beispiel folgt auf das erneute
Einschalten wiederum ein sofortiger und starker Anstieg des Stroms 31,
was in 3 als erneute Stromspitze beim dritten Zeitpunkt 36 erkennbar
ist. Die starke Stromspitze, insbesondere das Überschreiten des Schwellwerts 37 bewirkt
bereits nach etwa einer halben Millisekunde das erneute Ab schalten
der Halbleiterschalter 20, 21. Der Strom 31 sinkt
nach dem erneuten Abschalten wieder auf Null, während die Spannung 33 über das
Vorschaltgerät 10 wieder
für die
Abschaltdauer 38 von 1 ms einen sinusförmigen Verlauf zeigt. Nach
dem Verstreichen der Abschaltdauer 38 schaltet das Vorschaltgerät 10 wiederum ein.
Jetzt zeigt der Strom 31 den gewünschten sinusförmigen Verlauf,
der der Spannung 33 folgt.
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Weitere
Stromspitzen treten in diesem Ablaufbeispiel nicht mehr auf. Im
gegebenen Ablaufbeispiel ist also ein stabiler Betrieb ohne hohe
Inrushströme
bereits nach weniger als einer Spannungsperiode erreicht. Gleichzeitig
sind jegliche hohen Einschaltströme
sofort unterbrochen, also effektiv verhindert worden. Dies wird
erreicht, indem mit beispielsweise den Halbleiterschaltern 20, 21 solche Schalter
verwendet werden, die zu jedem Zeitpunkt eine schnelle Abschaltung
ermöglichen.
Durch das erfindungsgemäße Vorgehen
werden hohe Einschaltströme
vermieden und gleichzeitig aber eine richtige Magnetisierung das
Transformatorkerns vorangetrieben, indem immer wieder versucht wird,
einzuschalten.