Anwendungen von Induktivitäten in der industriellen Automatisierung

Induktivitäten, Transformatoren und ihre Rolle in der industriellen Automatisierung

Induktivitäten und Transformatoren spielen eine entscheidende Rolle in industriellen Automatisierungssystemen – insbesondere in der Stromversorgung, der Motorsteuerung sowie bei der Verbesserung der Netz- und Spannungsqualität. Diese Bauteile sind unverzichtbar, um elektromagnetische Störungen (EMI) zu minimieren, Spannungen umzuwandeln, eine galvanische Trennung zu gewährleisten und Energie in Magnetfeldern zu speichern. Durch die sorgfältige Auswahl und den gezielten Einsatz passender Induktivitäten und Transformatoren lassen sich die Effizienz industrieller Automatisierungssysteme steigern, Verluste reduzieren und die Gesamtleistung nachhaltig optimieren.

In diesem Artikel behandeln wir folgende Themen:

• Die Bedeutung von Induktivitäten und Transformatoren in der industriellen Automatisierung
• Einsatz von Induktivitäten und Transformatoren in Stromversorgungen
• Einsatz von Induktivitäten in der Motorsteuerung

Die Bedeutung von Induktivitäten und Transformatoren in der industriellen Automatisierung

Die industrielle Automatisierung entwickelt sich längst über die reine Automatisierung von Fertigungslinien zur Erhöhung der Produktionsgeschwindigkeit hinaus. Sie transformiert sich zunehmend zur Industrie 4.0, die vollumfänglich intelligente Fertigungskonzepte umfasst. Dazu gehören nicht nur die klassische Robotik und kollaborative Roboter (Cobots als Mensch-Maschine-Schnittstellen), sondern auch industrielle IoT-Sensoren zur Prozessmessung und -überwachung, drahtlose Kommunikationssysteme zur Übertragung kritischer Echtzeitdaten zwischen vernetzten Geräten, industrielle Mess- und Prüftechnik sowie Industrie-PCs zur Datenanalyse und Optimierung von Fertigungsabläufen entlang der gesamten Lieferkette.

Darüber hinaus halten Deep Learning, Machine Learning und Künstliche Intelligenz (KI) vermehrt Einzug in die Mechatronik und in smarte Systeme. Sie ermöglichen es, Anlagen so zu trainieren, dass sie komplexe Muster erkennen, frühzeitig Warnmeldungen ausgeben und potenzielle Probleme identifizieren, bevor Stillstände entstehen. Industrielle Mikrocontroller nutzen zudem Tiny Machine Learning (TinyML)-Modelle direkt auf Edge-Geräten, um KI-Anwendungen ressourcenschonend mit geringerer Rechenleistung und minimalem Datenaufwand auszuführen.

Der parallele Betrieb zahlreicher Stromversorgungen und Motorsteuerungen zur Speisung und Ansteuerung dieser hochautomatisierten Anlagen erfordert extrem zuverlässige Bauteile, die speziell für den Einsatz unter rauen Industrieumgebungen ausgelegt sind. Hochfrequenz-Schaltnetzteile erzeugen dabei die verschiedenen Betriebsspannungen für eine Vielzahl elektrischer und elektronischer Systeme der Fabrikautomation. Die dabei entstehenden hochfrequenten Störungen müssen durch gezielte Signalaufbereitung sowie EMV-Filterung (Elektromagnetische Verträglichkeit) wirksam unterdrückt werden.

Magnetische Bauelemente – wie Induktivitäten zur Energiespeicherung und Störunterdrückung (inklusive RFI-Filterung) sowie Transformatoren zur galvanischen Trennung und Spannungswandlung – sind Schlüsselkomponenten moderner industrieller Stromversorgungen. Aufwärtstransformatoren erhöhen das Spannungsniveau, während Abwärtstransformatoren die Eingangsspannung auf die geforderten Betriebsspannungen heruntersetzen (beispielsweise auf 24 V, 12 V, 5 V oder noch niedrigere Spannungen für Logik- und Mikrocontrollerschaltungen). Sorgfältig ausgewählte Induktivitäten und Transformatoren in Industrie- oder Automotive-Qualität stellen hierbei die Einhaltung höchster Zuverlässigkeitsstandards sicher.

Einsatz von Induktivitäten und Transformatoren in Stromversorgungen

Industrielle Stromversorgungen wie AC/DC-Wandler, DC/DC-Wandler sowie Power-over-Ethernet-Netzteile (PoE-PSE) stellen die benötigte Energie auf den passenden Spannungsniveaus bereit. Sie versorgen automatisierte Produktionsmaschinen, Roboter, drahtlose Kommunikationsnetzwerke, IoT-Geräte, LED-Beleuchtungen und speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS / PLC).

Induktions- und Filternetzwerke, die auf Leistungsinduktivitäten und Gleichtaktdrosseln setzen, bilden einen wesentlichen Kern dieser Stromversorgungen. Sie minimieren elektromagnetische Störungen (EMI) wirksam und stellen selbst in elektrisch stark belasteten Industrieumgebungen einen zuverlässigen Betrieb sicher, während sie gleichzeitig die Einhaltung strenger EMV-Richtlinien gewährleisten.

Trenntransformatoren sowie PoE-Transformatoren für Energieeinspeiser (PSE) und Endgeräte (PD) bieten eine zuverlässige galvanische Trennung, verhindern unerwünschte Erdschleifen (Masseschleifen) und transformieren Spannungen präzise auf die Betriebsspannung des jeweiligen Verbrauchers.

Drahtgewickelte Bauteile, insbesondere magnetisch abgeschirmte Leistungsinduktivitäten, gehören zu den meistgenutzten Komponenten in modernen Stromversorgungsfiltern. Die gezielte Auswahl passender Leistungsinduktivitäten, Gleichtaktdrosseln und Transformatoren für Leistungswandler lässt sich durch kostenlose Online-Tools von Coilcraft wie den MAGPro™ Power Inductor Finder and Analyzer, den Common Mode Choke Finder and Analyzer sowie das Parametric Search Tool effizient gestalten. Diese Web-Tools unterstützen Entwickler dabei, anhand von Parametern wie Induktivität, Gleichstromwiderstand (DCR), Nennstrom und Baugröße schnell die optimale Komponente für ihr Schaltungsdesign zu identifizieren.

Zusätzliche Ressourcen

1. Leitfaden zum Verständnis von Gleichtaktdrosseln
2. Trenntransformatoren verstehen und auswählen
3. Drahtgewickelte Ferritperlen – Leistungsfähiger als herkömmliche Chip-Ferritperlen
4. Grundlagen der elektromagnetischen Verträglichkeit (Englisch, PDF)

Einsatz von Induktivitäten in der Motorsteuerung

Die industrielle Automatisierung stützt sich in hohem Maße auf Asynchronmotoren, Synchronmotoren, bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC) und Schrittmotoren, um schnelle und hochpräzise Rotationsbewegungen zu ermöglichen. Universalmotoren, die sowohl mit Wechsel- als auch mit Gleichstrom betrieben werden können, kommen hauptsächlich in industriellen Elektrowerkzeugen für manuelle Montagearbeiten zum Einsatz. Linearantriebe sorgen hingegen für exakte translatorische Bewegungen entlang der X-, Y- und Z-Achsen.

Motorsteuerungen und Frequenzumrichter benötigen häufig galvanisch getrennte Gate-Treiber, die Gate-Drive-Transformatoren zur sicheren Schaltungsisolation nutzen. AC/DC- und DC/DC-Wandler, welche die Motorsteuerungen mit der passenden Versorgungsspannung speisen, setzen am Eingang, am Ausgang oder an beiden Positionen Leistungsinduktivitäten ein, um die Stromwelligkeit (Stromrippel) effektiv zu glätten. Eine minimale Stromwelligkeit reduziert elektromagnetische Störungen (EMI) sowie thermische Verluste im Magnetkern und in den Wicklungen. Hochvolt-Induktivitäten erfüllen dabei die strengen Anforderungen an die Spannungsfestigkeit in AC/DC- und DC/DC-Motorsteuerungen. Wechselstromsensoren bzw. Strommesswandler sind für die kontinuierliche Überwachung und Begrenzung der Stromaufnahme in industriellen Antrieben essenziell und tragen maßgeblich dazu bei, Überlastschäden zuverlässig zu verhindern.

Zusätzliche Ressourcen

1. Coilcraft Gate-Drive-Transformatoren
2. Coilcraft Leistungsinduktivitäten
3. Coilcraft Hochspannungsinduktivitäten
4. Coilcraft Strommesswandler

Warum ist Effizienz in industriellen Automatisierungssystemen wichtig?

Durch die Maximierung der Effizienz lassen sich Verluste reduzieren, die Produktivität steigern und die Betriebskosten kontrollieren, während gleichzeitig die Umweltbelastung minimiert wird. Indem der Energie- und Materialbedarf von Stromversorgungen und der IoT-Infrastruktur gesenkt wird, können Industrieanlagen ihre Betriebskosten erheblich reduzieren und nachhaltige Fertigungsprozesse fördern.

Nutzung von Power over Ethernet (PoE) für intelligente Gebäude

Power over Ethernet (PoE) bietet eine außerordentlich effiziente Methode zur Stromversorgung von Remote-Sensoren, Kameras, industrieller Beleuchtung und Kommunikationsgeräten. Bei Reichweiten von bis zu 100 Metern innerhalb von Produktionsanlagen können sogar Ladestationen für Tablets und mobile Endgeräte des Personals mit Strom versorgt werden.

PoE macht zusätzliche Hochspannungsstromquellen überflüssig. Stattdessen nutzt es kostengünstige, leichte Ethernet-Kabel mit verdrillten Aderpaaren (Twisted-Pair), um Strom und Daten gleichzeitig effizient zu übertragen.

Senkung der Infrastruktur- und Installationskosten

Dank PoE entfällt durch die Nutzung bestehender Ethernet-Kabel die Notwendigkeit, spezielle Stromleitungen zu verlegen oder für jedes versorgte Gerät externe Steckdosen zu installieren. An neuen Standorten ist die Verlegung von Ethernet-Kabeln deutlich kostengünstiger als herkömmliche Netzspannungs-Verkabelungen.

Nach der Inbetriebnahme erfolgen die Überwachung und Steuerung dieser Geräte über genau dieselbe Netzwerkmanagement-Infrastruktur wie die Datenübertragung, sodass Betreiber die Geräte vollständig aus der Ferne abschalten oder zurücksetzen können.

PoE-Komponenten und Hardware-Architektur

PoE-Netzwerke basieren auf drei wesentlichen Hardwarekomponenten:

• Power Sourcing Equipment (PSE): Der Netzwerk-Switch oder Power-Injector, der die Stromversorgung in das Netzwerk einspeist.
• Midspan-Geräte: Hardware-Injektoren, die zwischen nicht-PoE-fähigen Switches und PoE-Geräten eingesetzt werden, um Strom über das Ethernet-Kabel zuzuführen.
• Powered Devices (PD): Die versorgten Endgeräte, die den Strom über die Datenleitung empfangen (z. B. IoT-Sensoren oder Überwachungskameras).

Im Hardware-Signalweg wird der Strom über 1:1-Trenntransformatoren mit Mittelabgriff eingespeist, während Gleichtaktdrosseln hochfrequente elektromagnetische Störungen herausfiltern.

PoE arbeitet sicher im Niederspannungsbereich der Telekommunikation, in der Regel zwischen 36 V und 57 V. Gemäß dem Standard IEEE 802.3bt wurde die maximale Leistungsabgabe durch die PSE auf bis zu 100 W erhöht. Dieser Standard umfasst acht verschiedene Klassen, die strenge Leistungsgrenzen für PDs festlegen:

• Klasse 1: Begrenzt die Leistung auf 3,84 W
• Klasse 8: Erhöht die Leistung auf bis zu 71,3 W

Während nicht standardkonforme PoE-Hardware einem versorgten Gerät (PD) bis zu 90 W bereitstellen kann, sind fortschrittliche Bauteile wie der PoE-Signalübertragungsübertrager WA8704-ALD von Coilcraft in der Lage, über eine 4-paarige Signalpfad-Anordnung bis zu 150 W zu übertragen.

Weitere Ressourcen:

• Magnetkomponenten für Power over Ethernet (PoE)
• Grundlagen und Auswahl von Trenntransformatoren
• Ein Leitfaden zum Verständnis von Gleichtaktdrosseln
• Power-over-Ethernet-Magnetkomponenten von Coilcraft

Wie können Induktivitäten den Wirkungsgrad verbessern?

Induktivitäten verbessern den Wirkungsgrad, indem sie hochfrequente Störsignale herausfiltern und in Schaltwandlern Energie mit minimalen Leistungsverlusten speichern. Die Auswahl einer hocheffizienten Induktivität, die auf geringe Eigenverluste optimiert ist, reduziert die Wärmeentwicklung drastisch und steigert direkt den Gesamtwirkungsgrad des Netzteils.

Um dies zu erreichen, werden in Schaltwandlern – einschließlich Buck- (Tiefsetz-), Boost- (Hochsetz-), Buck-Boost- und SEPIC-Topologien – gezielt optimierte Induktivitäten in den Filter- und Energiespeicherstufen integriert. Die Wahl der passenden Induktivität für die jeweilige Schaltungstopologie hat somit einen entscheidenden Einfluss auf die Effizienz des gesamten Schaltnetzteils.

Im nächsten Abschnitt erörtern wir konkrete Strategien zur Maximierung des Wirkungsgrads durch die gezielte Bauteilauswahl.

Spezifische Strategien zur Maximierung des Wirkungsgrads bei Induktivitäten

Richtige Dimensionierung und Auswahl von Induktivitäten

Manchmal wird fälschlicherweise angenommen, dass die Baugröße einer Induktivität direkt mit deren Verlusten und dem Wirkungsgrad korreliert. Der Gleichstromverlust einer Induktivität errechnet sich aus dem Quadrat des Gleichstroms multipliziert mit dem Gleichstromwiderstand, also Idc² * DCR. Ein niedriger DCR führt somit zu einem höheren Wirkungsgrad. Aus der Formel für den Gleichstromwiderstand eines Runddrahtes – DCR = ρ * l / (π * r²), wobei ρ der spezifische Widerstand des Drahtmaterials, l die Drahtlänge und r der Drahtradius ist – lässt sich ableiten, dass eine Vergrößerung des Drahtdurchmessers beziehungsweise Radius einen deutlich stärkeren Einfluss auf die Verringerung des DCR hat als eine Verkürzung der Drahtlänge. Dies verleitet zu dem Trugschluss, dass größere Induktivitäten stets dickere Drähte verwenden und daher zwangsläufig effizienter sind. Sobald der Strom durch die Induktivität jedoch nicht ausschließlich aus Gleichstrom besteht, treten weitere entscheidende Verlustfaktoren in den Vordergrund.

Minimierung von Verlusten und Wärmeentwicklung

Wenn der durch die Induktivität fließende Wechselstrom einen hohen Anteil an Welligkeitsstrom (Rippelstrom) aufweist, wirken sich Wechselstrom-Wicklungsverluste aufgrund des Wechselstromwiderstands (ACR) – oft auch als effektiver Serienwiderstand (ESR) bezeichnet – sowie Wechselstrom-Kernverluste erheblich auf den Gesamtwirkungsgrad der Induktivität aus. Während ein größerer Drahtquerschnitt zwar den Gleichstromwirkungsgrad verbessert, können Skin- und Proximity-Effekte den Vorteil eines dickeren Drahtes bei den Wechselstrom-Wicklungsverlusten wieder zunichtemachen. Daher weisen größere Induktivitäten keineswegs immer den höchsten Wirkungsgrad auf.

Die Kernsättigung einer Induktivität hängt von der effektiven Querschnittsfläche des Kerns ab. Eine größere Kernfläche kann mehr magnetischen Fluss aufnehmen, ohne zu sättigen. Ein größerer Kern besitzt jedoch auch einen längeren magnetischen Flussweg, was zu höheren Kernverlusten führen kann.

Zur Berechnung der Kernverluste einer Induktivität wird traditionell zwar die Steinmetz-Gleichung herangezogen, diese basiert jedoch auf vereinfachten Modellannahmen und ist in ihrer Frequenzbandbreite sowie Wellenform auf einen sehr engen Bereich beschränkt. Messwertbasierte Werkzeuge wie der MAGPro™ Power Inductor Finder and Analyzer von Coilcraft liefern hingegen hochpräzise Berechnungen der Kern- und Wicklungsverluste unter realen Betriebsbedingungen und unterstützen Entwickler dabei, die kleinstmögliche Induktivität zu identifizieren, die alle geforderten Designspezifikationen erfüllt.

Reduzierung von Stromspitzen und elektromagnetischen Störungen (EMI)

Induktivitäten werden in großem Umfang eingesetzt, um Stromspitzen und elektromagnetische Störungen (EMI) am Gleichstromausgang von DC/DC- oder AC/DC-Wandlern effektiv zu reduzieren. Sie lassen sich mit weiteren Induktivitäten und Kondensatoren zu LC-Filtern höherer Ordnung kombinieren, um eine deutlich höhere Stördämpfung zu erzielen.

Eine hocheffiziente Induktivität ist so konstruiert, dass sie bei möglichst kompakten Abmessungen über einen breiten Frequenzbereich die geringsten Gesamtverluste (aus Gleichstrom- und Wechselstromanteilen) sowie die geringste Wärmeentwicklung aufweist. Da die genaue Verlustberechnung hochkomplex ist, unterstützt das Online-Tool MAGPro™ Power Inductor Finder and Analyzer von Coilcraft Entwickler dabei, schnell und zuverlässig die Induktivität mit der maximalen Effizienz für ihr industrielles Automatisierungssystem auszuwählen.

Weitere Ressourcen:

• Was ist eine Induktivität?
• Auswahl von Induktivitäten für energieeffiziente Stromversorgungsanwendungen (Englisch, PDF)
• Auswahl der optimalen Induktivität für Ihren DC-DC-Wandler (Englisch, PDF)
• Coilcraft MAGPro™ Power Inductor Finder und Analyzer
• Coilcraft MAGPro™ DC-DC Optimizer

Wie Induktivitäten die Netzqualität in industriellen Automatisierungssystemen verbessern

Die Bedeutung der Netzqualität in der industriellen Automatisierung

Zwar ist Energieeffizienz äußerst wichtig, doch die Netzqualität (Power Quality) ist der entscheidende Faktor für den zuverlässigen Betrieb elektrischer Komponenten in industriellen Anlagen. Mangelhafte Netzqualität kann durch thermische Überlastung zu vorzeitigen Bauteil- und Geräteausfällen sowie zu Datenfehlern in industriellen Kommunikationsnetzen führen. Ungeplante Ausfallzeiten infolge von Strom- oder Spannungsunterbrechungen stören zudem den gesamten Fertigungsprozess, was verzögerte Lieferzeiten entlang der Lieferkette zur Folge hat.

Die Rolle von Induktivitäten bei der Filterung von Störsignalen und der Reduzierung von Stromspitzen

Industrielle Steuerungsgeräte reagieren oft äußerst empfindlich auf Spannungs- und Stromspitzen sowie hochfrequente Störsignale. Induktivitäten bilden Schlüsselkomponenten in Filternetzwerken von Steuerungsstromversorgungen: Sie begrenzen Stromspitzen effektiv und dämpfen die Amplitude hochfrequenter Störungen und Oberschwingungen. Dies schützt empfindliche Elektronik zuverlässig vor Schäden und verhindert unvorhergesehene Fehlfunktionen oder ungewollte System-Resets.

Wie Induktivitäten den Strom regulieren und Energie speichern

Zu den Leistungskomponenten und HF-Bauteilen gehören Leistungs- und HF-Induktivitäten, die elektrische Energie vorübergehend in einem Magnetfeld speichern. Durch diesen Energiespeichereffekt lassen Induktivitäten Gleichstrom sowie niederfrequente Signale nahezu ungehindert passieren, während sie schnelle Stromänderungen dämpfen beziehungsweise deren Anstiegsrate begrenzen. Sie regulieren den Stromfluss somit effektiv, indem sie hochfrequente Stromspitzen abflachen und deren störende Auswirkungen auf empfindliche Schaltungsteile minimieren.

Wichtige Überlegungen bei der Auswahl von Induktivitäten

Unabhängig davon, ob eine einzelne Leistungsinduktivität, eine HF-Drossel oder Induktivitäten in Kombination mit Kondensatoren zu passiven LC-Filtern höherer Ordnung verschaltet werden – die Wahl der passenden Induktivität hat einen maßgeblichen Einfluss auf die Filterdämpfung und die gesamte Netz- und Signalqualität.

Bei der Auswahl von Induktivitäten müssen daher mehrere zentrale Parameter sorgfältig gegeneinander abgewogen werden:

• Gleichstromwiderstand (DCR): Bestimmt den Wirkungsgrad und die Verlustleistung.
• Induktivität im Leerlauf und unter Volllast: Bewertet die Leistung bei unterschiedlichen elektrischen Lasten.
• Effektivstrom-Nennwert: Bestimmt den internen Temperaturanstieg aufgrund des Betriebsstroms.
• I_sat-Nennwert: Bestimmt den prozentualen Abfall der Induktivität bei Spitzen-Sättigungsstrom und gibt die tatsächliche effektive Induktivität an.
• Bauteilgröße: Stellt die Einhaltung strenger Platzbeschränkungen auf der Leiterplatte sicher.

Die Auswahl von drahtgewickelten Induktivitäten und Ferritperlen (Ferrite Beads) für Tiefpass- sowie moderne Oberschwingungsfilter wirkt sich unmittelbar auf die Netzqualität aus. Die gezielte Abstimmung der Induktivität auf die jeweilige Anwendung ist daher von entscheidender Bedeutung. Webbasierte Werkzeuge wie die MAGPro^TM-Suite von Coilcraft mit ihren integrierten Analyse-Tools für Transformatoren und Induktivitäten vereinfachen die Suche nach dem optimalen Bauteil für Ihr Schaltungsdesign erheblich.

Weitere Ressourcen:

• Auswahl der optimalen Induktivität für Ihren DC-DC-Wandler (Englisch, PDF)
• Die MAGPro™-Suite von Coilcraft mit Tools für Transformatoren und Induktivitäten