Stromflusswinkel

Der Stromflusswinkel ist ein Begriff aus der Elektrotechnik und bezeichnet besonders bei Netzspannungs-Verbrauchern die Zeit, während der periodisch ein Strom fließt, wenn er nicht während der gesamten Periodendauer der Wechselspannung fließt.

Angaben, Anforderungen

Der Stromflusswinkel kann je nach Schaltung 0 … 360° oder 0 … 180° betragen, wobei 360° für eine volle Periode der Wechselspannung steht. Statt des Winkels wird teilweise das Verhältnis des Winkels zu seinem Maximalwert angegeben, dieses kann dann 0 … 1 bzw. 0 … 100 % annehmen. Diese Angaben haben eher den Charakter eines Richtwertes als eines möglichst präzisen Messwertes.

Stromflusswinkel < 360° oder < 180° treten bei nichtlinearen Verbrauchern auf. Dazu gehören Gleichrichter, Dimmer, Thyristorsteller oder Gasentladungslampen.

Genaugenommen müsste man noch die Schwelle (Stromstärke) angeben, ab der man „Strom fließt“ definiert. Diese ist nicht einheitlich festgelegt; zumindest bei einer Diode ist der Zeitpunkt des Übergangs vom Sperrstrom zum Durchlassstrom oder umgekehrt für den Stromflusswinkel ausreichend scharf abgebbar.

Bei gleicher Leistung am Verbraucher belastet ein Strom mit geringem Stromflusswinkel die Leitungen oder auch Transformatoren viel stärker als Strom mit sinusförmigem Verlauf, weshalb man einen möglichst großen Stromflusswinkel anstrebt. Andererseits wird in Gleichrichterschaltungen eine geringe Restwelligkeit gewünscht, wozu man einen geringen Stromflusswinkel anstrebt. Im zweiten Fall wählt man das Produkt aus Verbraucherwiderstand und Kapazität RּC möglichst groß (» 10 ms).

Beispiele

Typische Gleichrichterschaltung mit Transformator T, Gleichrichter G, Glättungskondensator C, Verbraucher R

Typischer Spannungsverlauf am Verbraucher R
Rot: C wird von T geladen
Blau: C wird von R entladen

Gleichrichter mit angeschlossenem Glättungskondensator

Da der Kondensator nur nachgeladen werden kann, wenn die Augenblickspannung der sinusförmigen Eingangsspannung (Netzspannung oder Sekundärspannung eines Transformators) größer ist als die Kondensatorspannung, muss in dieser kurzen Zeit die gesamte Leistung aus dem Netz gezogen werden. Der Strom im Transformator und Gleichrichter ist also für kurze Zeit sehr hoch und für den Rest der Zeit null.

Im Bild zum Spannungsverlauf ist der zugehörige Stromflusswinkel mit α gekennzeichnet; er beträgt dort ca. 30°; nur für etwa ein Sechstel der Zeit fließt Strom, der dann im Scheitelwert weit mehr als das Sechsfache des Mittelwertes am Verbraucher annimmt.

Auf der Eingangsseite entstehen größere Verluste, da der Effektivwert des Stromes dessen Gleichrichtwert umso mehr überragt, je ausgeprägter die Stromspitze wird. Bei gegebenen ohmschen Widerständen (Netz- und ggf. Transformator-Innenwiderstand) steigt die Verlustleistung mit dem Quadrat des Effektivstromes an. Ferner wird möglicherweise der Transformator bis zur magnetischen Sättigung belastet.

Es entstehen Oberschwingungen und damit Verzerrungsblindleistung. Abhilfe schafft eine Leistungsfaktorkorrektur (PFC) oder im einfachsten Fall eine Drossel / Spule vor oder nach dem Gleichrichter.

Thyristorsteller bzw. Triacsteller oder Dimmer (Phasenanschnittsteuerung)

Die Verstellung des Stromflusswinkels dient hier der Leistungssteuerung. Allzu große Spitzenströme werden mit Drosseln vermieden.

Siehe auch

Scheitelfaktor