Power-Management Sinussteller löst die EMV-Probleme

Die steilen Schaltflanken der Phasenanschnittsteuerung verursachen immer wieder Probleme in Bezug auf die EMV-Konformität. Ein Sinussteller aber regelt die Amplitude des Stroms stufenlos von 0 bis 100%. Er punktet auch hinsichtlich geringerer Verlustleistung und verzichtet auf die Gleichrichtung.

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Der Phasenanschnitt ist eine weit verbreitete Steuerungstechnik zum stufenlosen Stellen von elektrischen Lasten von 0 bis 100%. Dabei wird jede Halbwelle typischerweise mittels Thyristor angeschnitten und zur Last weitergeleitet. Der Thyristor als elektronischer Schalter arbeitet verschleißfrei und ist sehr verlustarm. Leider wird dabei aus dem versorgenden Netz ein nicht-sinusförmiger Strom entnommen. Dies verursacht erhebliche Blindströme und Netzverluste, was die EMV-Normen DIN EN 61000-3-2 für Lasten bis 16 A und DIN EN 61000-3-12 für Verbraucher zwischen 16 und 75 A Strangstrom eng reglementiert bzw. untersagt.

Eine echte Alternative ist ein Sinussteller. Er stellt die Leistung durch Variation der Amplitude der Ausgangsspannung. Der Leistungselektronik-Spezialist Systemtechnik LEBER hat entsprechende Sinussteller für Leistungen von 1,2 kW und 12 kW entwickelt.

Herkömmliche Alternativen zum Phasenanschnitt

Um die Nachteile des Phasenanschnitts zu umgehen, kann in bestimmten Fällen auf herkömmliche Verfahren zurückgegriffen werden, nämlich entweder auf die Vollwellensteuerung oder auf den Einsatz von Wechselrichtern.

Bei der Vollwellensteuerung werden nur vollständige sinusförmige Halb- oder Vollwellen geschaltet, sei es als Pulsweitenmodulation (PWM) oder als Pulspaketsteuerung (kleinstmögliche Ein- und Aus-Verhältnisse). Für schnelle Lampen und Strahler ist dieses Verfahren allerdings nicht geeignet, weil sie einerseits fürchterlich flackern und pulsen und weil andererseits die Gefahr besteht, dass schon bei kleinen Lasten die Norm DIN EN 61000-3-3 (Flickernorm) verletzt wird.

Bei dem Einsatz von Wechselrichtern entsteht eine variable Lastspannung dadurch, dass die Amplitude der Spannung verändert wird. Der wohl bekannteste Wechselrichter ist der Frequenzumrichter.

Der Frequenzumrichter ist keine gute Alternative

Seine wichtigsten Komponenten sind Eingangsentstörung (EMV), Gleichrichtung, Power Factor Correction (PFC), Zwischenkreis-DC, Inverter mit sechs Transistoren, Steuersatz und Ausgangsentstörung (EMV). Ein Frequenzumrichter kann aus seinem DC-Zwischenkreis beliebige Frequenzen und beliebige Amplituden erzeugen. Ein weiteres wichtiges Merkmal ist, dass er keine sinusförmige Ausgangsspannung generiert. Er legt die getaktete Ausgangsspannung direkt auf den Motor. Die Induktivität des Motors sorgt dafür, dass sich automatisch sinusförmige Ströme einstellen.

Einen Frequenzumrichter als Leistungssteller einzusetzen hat folgende Nachteile: Die Ausgangsfrequenz braucht nicht variabel zu sein. Um Interferenzen zu verhindern, sollte sie gleich der Eingangsfrequenz sein. Die Ausgangsspannung muss bereits sinusförmig sein. In Haushalten, Gewerbe und einfachen Industrieanwendungen werden keine Lasten mit abgeschirmten Kabeln eingesetzt. Weil Lampen und Heizungen keine Induktivitäten aufweisen, werden sich keine sinusförmigen Ströme einstellen. Die Ströme entsprechen genau der Taktung der Spannung und verursachen damit enorme Störabstrahlung auf den Lastkabeln. Ein Frequenzumrichter ist meist dreiphasig aufgebaut. Die meisten Lasten sind jedoch einphasig.

Die Last eines Frequenzumrichters hat keinen Bezugspunkt mehr zum Netz (sie schwebt). Ein weiterer Nachteil der Frequenzumrichter sind hohe Schaltverluste bis zu 10 W/A. Sie setzen sich zusammen aus den Spannungsabfällen an der Gleichrichtung (etwa 2,5 V), an der Power Factor Correction (rund 2,5 V) und am Inverter (5,0 V). Im Gegensatz dazu erzeugt der Phasenanschnitt nur Schaltverluste von 1,5 W/A

Sinussteller vermeidet die Nachteile des Phasenanschnitts und der Wechselrichter

Ein als Leistungssteller optimierter Wechselrichter nennt sich Sinussteller bzw. Amplitudenrichter. Er vermeidet die Nachteile des Phasenanschnitts und der Wechselrichter.

Das wichtigste Charakteristikum des Sinusstellers ist, dass er immer sinusförmige Ströme aus dem versorgenden Netz zieht und die Last immer mit sinusförmigen Spannungen und Strömen versorgt. Damit werden EMV-Probleme minimiert.

Die Eingangsenstörung kann sogar aufwendiger sein als die eines herkömmlichen Frequenzumrichters. Eine Eingangsgleichrichtung ist nicht mehr erforderlich, weil die Freilaufdioden in den elektronischen Schaltern benutzt werden. Alle erzeugten Ausgangsfrequenzen sind immer gleich den Eingangsfrequenzen. Eine aufwendige Glättungsdrossel und Ausgangsenstörung sorgt für schöne sinusförmige Ströme am Ausgang und minimiert die leitungsgebundenen Störungen.

Darüber hinaus beherrscht der Sinussteller auch den Generatorbetrieb. Die Frequenzänderungen des Generators haben keinen Einfluss auf seine Funktionsweise und die Ausgangsspannung stimmt immer. Beim Einsatz eines Sinussteller behält die Last ihren Netzbezug, sie schwebt nicht.

Die Verlustleistung des Sinusstellers ist zwar höher als beim Phasenanschnitt aber deutlich niedriger als beim Wechselrichter. Außer einem Spannungsabfall von 3,7 V an den elektronischen Schaltern fallen weder bei der Gleichrichtung (weil es keine gibt) noch an der Power Factor Correction (weil keine notwendig ist) Spannungen ab. So entstehen insgesamt Verluste von ca. 3,7 W/A.

Der Sinussteller besitzt also erhebliche Vorteile gegenüber den bisherigen Verfahren unter den Gesichtspunkten der EMV-Konformität, Verlustleistung und Aufwendigkeit des Designs.

Es ist zu erwarten, dass sich der Sinussteller in den von einschlägigen Normen betroffenen Bereichen künftig zu einer wichtigen Alternative gegenüber herkömmlichen Verfahren entwickeln wird. Auf Grund der erforderlichen Bauteile ist das schwerpunktmäßig bei Leistungen < 12 kW (30 A bei 400 V) der Fall. Bei fortschreitender technischer Entwicklung bzw. weiterer Verschärfung der Normen sind selbstverständlich auch höhere Leistungen denkbar.

Der Amplitudensteller macht PFC-Maßnahmen überflüssig

Die Sinussteller geben eine Prozessleistung mittels variablen Vollsinus vor. Entsprechend dieser Vorgabe wird lediglich die Amplitude verändert. So ist eine kontinuierliche und flackerfreie Abgabe von Prozessenergie auch bei Lampen und Strahlern gewährleistet (in diesem Beitrag beim Trocknen von Kfz-Karosserieteilen).

Die wichtigsten Vorteile des Prinzips ist der Wegfall der steilen Schaltflanken der Phasenanschnittsteuerung (keine EMV-Probleme mehr), die kontinuierliche Abgabe von Prozessenergie (kein Flackern und Pulsen wie bei der Pulsweitenmodulation) und geringere Verlustleistung als bei Wechselrichtern (niedrigerer Kühlbedarf). Weil der Sinussteller nur sinusförmige Ströme aus dem Netz entnimmt und nur sinusförmige Ströme an die Last liefert, werden sowohl das Netz als auch die Last optimal genutzt und geschont. Die entnommene Blindleistung wird minimiert und zusätzliche Blindleistungskompensation kann entfallen.

Es gibt zwei Versionen der Sinussteller der SCU-Serie für Leistungen von 1,2 bzw. 12 kW.

Systemtechnik LEBER

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*Olaf Kammerer ist Leiter Marketing bei Systemtechnik LEBER GmbH & Co. KG in Schwaig bei Nürnberg.

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