Leistungsfaktorkorrektur (PFC)
Was ist eine Leistungsfaktorkorrektur?
Die Leistungsfaktorkorrektur ist eine Technik zur Erhöhung des Leistungsfaktors einer Stromversorgung. Schaltnetzteile ohne Leistungsfaktorkorrektur ziehen Strom in kurzen Impulsen hoher Größe. Diese Impulse können durch aktive oder passive Techniken geglättet werden. Dies reduziert den Eingangs-Effektivstrom und die scheinbare Eingangsleistung, wodurch der Leistungsfaktor erhöht wird.
Die Leistungsfaktorkorrektur formt den Eingangsstrom, um die tatsächliche Leistung der Wechselstromversorgung zu maximieren. Idealerweise sollten elektrische Geräte eine Last aufweisen, die einen reinen Widerstand emuliert, was bedeutet, dass die Blindleistung Null wäre. Und die Strom- und Spannungswellenformen wären die gleiche Sinuswelle und in Phase zueinander. Aufgrund der reaktiven Komponenten in den meisten Schaltungen gibt es jedoch immer eine Leistungsverzögerung, die zu niedrigeren Leistungsfaktoren führt.
In einem idealen System wird der gesamte Strom aus dem Wechselstromnetz für nützliche Arbeiten verwendet. Dies ist nur möglich, wenn der Strom in Phase mit der Spannung ist. Wenn die Phase zwischen den beiden variiert, führt ein Teil der Energie aus der Wechselstromsteckdose keine nützliche Arbeit aus und geht verloren.
Das Energieerzeugungsunternehmen muss daher mehr Strom produzieren, um die Nachfrage nach der Nutzleistung zu decken und die, die verloren geht. Dies bedeutet mehr Kapitalinvestitionen in Erzeugung, Übertragung, Verteilung und Kontrolle. Die Kosten werden zusätzlich zum Beitrag zur globalen Erwärmung an den Verbraucher weitergegeben.
Die Leistungsfaktorkorrektur versucht, den Leistungsfaktor des elektrischen Systems wie der Stromversorgung in Richtung 1 zu drücken, und obwohl er diesen nicht erreicht, erreicht er so nahe wie 0,95, was für die meisten Anwendungen akzeptabel ist.
Methoden zur Leistungsfaktorkorrektur
Es gibt zwei gängige Arten der Leistungsfaktorkorrektur für Netzteile; die passive PFC und die aktive PFC.
Passive Leistungsfaktorkorrektur
Dies wird für kleine Netzteile von etwa 100 W oder weniger verwendet. Das Korrekturverfahren verwendet ein Tiefpass-Oberwellenfilter am Wechselstromeingang, wobei Kondensator und Induktivität einen Serienresonanzkreis bilden. Die Komponenten können relativ klein sein, während sie eine kostengünstige und effiziente Leistungsfaktorkorrektur bereitstellen.
Abbildung 1: Ein passiver PFC Bildnachweis
Die passiven PFCs sind einfach, robust und zuverlässig für geringere Leistungsanforderungen. Darüber hinaus erzeugen sie keine EMI. Sie sind jedoch aufgrund des Induktors groß und schwer.
Vorteile
- Preiswert
- Effizient
- Einfache Konstruktion
Nachteile
- Schwer und groß
- Keine Spannungsregelung
- Begrenzter Bereich der Eingangsspannungen
Aktive Leistungsfaktorkorrektur
Die aktiven PFC-Methoden werden für Stromversorgungen von über 100W. Diese Methode bietet eine effizientere Korrektur, ist leichter und weniger sperrig.
Eine grundlegende aktive PFC-Schaltung besteht aus einer Steuerschaltung, die die Eingangsspannung und den Strom misst und dann die Schaltzeit und das Tastverhältnis einstellt, um sicherzustellen, dass die Eingangsspannung und der Strom in Phase sind. Dies ermöglicht eine automatische Korrektur der Eingangswechselspannung, was zu einem theoretischen Leistungsfaktor von über 0,95 führt. Im Gegensatz zur passiven PFC arbeitet die aktive PFC über einen weiten Bereich von Eingangsspannungen. Es erfordert jedoch zusätzliche Komponenten, was es komplexer und teurer macht.
Abbildung 2: Die Grundlegende Aktive PFC Schaltung Bild Kredit
Vorteile von eine Aktive PFC
- Erreicht PF von 0,95 oder höher
- Kleine und licht
- Breite palette von AC eingang spannung und frequenz (87 Vrms-266 Vrms und 47Hz-63Hz).
- Flexibler
- Bessere Kontrolle
Nachteile
- Komplex
- Höhere Kosten
- Erfordert mehr Filterung aufgrund der hohen Frequenzen, die in die Leitung gelangen können
- Komponenten sind im Vergleich zur passiven PFC mit höheren Spannungen ausgelegt.
Vorteile von PFC
Mit einem Leistungsfaktor von 1 oder so nahe wie möglich gibt es geringere Verluste und die gesamte erzeugte Energie wird effizient genutzt.
- Die technischen Vorteile: Verbesserte Effizienz und Reduzierung des Strombedarfs, damit eine Verringerung der Belastung der Schaltgeräte und Kabel, reduzierte Kosten für den Verbraucher und Unterstützung für mehr Last.
- Wirtschaftliche Vorteile: Geringere Systemverluste und geringere Kapitalkosten für das Erzeugungsunternehmen. Darüber hinaus gibt es Einsparungen bei den Stromkosten, da es keine Gebühren für die überschüssige Blindleistung. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Übertragungs- und Verteilungsgeräte und -systeme kühler laufen und länger halten.
- Vorteile für die Umwelt: reduzierte CO2-Emissionen.
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