Leistungsfaktor – Wikipedia

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In der Elektrotechnik ist die Leistungsfaktor eines Wechselstromnetzes ist definiert als das Verhältnis der echte Kraft von der Last aufgenommen Scheinleistung im Stromkreis fließt, und ist eine dimensionslose Zahl im geschlossenen Intervall von –1 bis 1. Eine Leistungsfaktorgröße von weniger als eins zeigt an, dass Spannung und Strom nicht in Phase sind, wodurch das durchschnittliche Produkt der beiden reduziert wird. Wirkleistung ist das momentane Produkt aus Spannung und Strom und stellt die Leistungsfähigkeit des Stroms dar, um Arbeit zu verrichten. Die Scheinleistung ist das Produkt aus Effektivstrom und Spannung. Aufgrund von in der Last gespeicherter und an die Quelle zurückgegebener Energie oder aufgrund einer nichtlinearen Last, die die Wellenform des von der Quelle entnommenen Stroms verzerrt, kann die Scheinleistung größer als die Wirkleistung sein. Ein negativer Leistungsfaktor tritt auf, wenn das Gerät (normalerweise die Last) Strom erzeugt, der dann zur Quelle zurückfließt.

In einem elektrischen Energiesystem zieht eine Last mit einem niedrigen Leistungsfaktor bei gleicher übertragener Nutzleistung mehr Strom als eine Last mit einem hohen Leistungsfaktor. Die höheren Ströme erhöhen den Energieverlust im Verteilungssystem und erfordern größere Drähte und andere Geräte. Aufgrund der Kosten für größere Geräte und Energieverschwendung berechnen Energieversorger Industrie- oder Gewerbekunden mit einem niedrigen Leistungsfaktor in der Regel höhere Kosten.

Leistungsfaktorkorrektur erhöht den Leistungsfaktor einer Last und verbessert die Effizienz des Verteilungssystems, an das sie angeschlossen ist. Lineare Lasten mit niedrigem Leistungsfaktor (wie Asynchronmotoren) können mit einem passiven Netzwerk aus Kondensatoren oder Induktivitäten korrigiert werden. Nichtlineare Lasten, wie z. B. Gleichrichter, verzerren den aus dem System entnommenen Strom. In solchen Fällen kann eine aktive oder passive Leistungsfaktorkorrektur verwendet werden, um der Verzerrung entgegenzuwirken und den Leistungsfaktor zu erhöhen. Die Geräte zur Korrektur des Leistungsfaktors können sich in einer zentralen Umspannstation befinden, über ein Verteilungssystem verteilt oder in stromverbrauchende Geräte eingebaut sein.

Lineare zeitinvariante Schaltungen[edit]

Leistungsfluss berechnet aus Wechselspannung und -strom, der in eine Last mit einem Leistungsfaktor von Null eindringt (φ = 90°, cos(φ) = 0). Die blaue Linie zeigt die momentane Leistung, die der Last zugeführt wird: Die gesamte Energie, die während des ersten (oder dritten) Viertelzyklus empfangen wurde, wird während des zweiten (oder vierten) Viertelzyklus in das Netz zurückgespeist, was zu einem Durchschnitt Leistungsfluss (hellblaue Linie) von Null.

Momentane und durchschnittliche Leistung, berechnet aus Wechselspannung und -strom für eine Last mit nacheilendem Leistungsfaktor (φ = 45°, cos(φ) 0,71). Die blaue Linie (Momentanleistung) zeigt, dass ein Teil der von der Last aufgenommenen Energie während des mit gekennzeichneten Teils des Zyklus in das Netz zurückgespeist wird φ.

Lineare zeitinvariante Schaltungen (bezeichnet einfach als lineare Schaltungen für den Rest dieses Artikels), beispielsweise haben Schaltungen, die aus Kombinationen von Widerständen, Induktivitäten und Kondensatoren bestehen, ein sinusförmiges Verhalten auf die sinusförmige Netzspannung.[1] Eine lineare Last ändert nicht die Form der Eingangswellenform, kann jedoch aufgrund ihrer Induktivität oder Kapazität das relative Timing (Phase) zwischen Spannung und Strom ändern.

In einem rein ohmschen Wechselstromkreis sind die Spannungs- und Stromwellenformen in Schritt (oder in Phase) und ändern die Polarität zum gleichen Zeitpunkt in jedem Zyklus. Die gesamte in die Last eintretende Leistung wird verbraucht (oder abgeführt).

Wo reaktive Lasten vorhanden sind, wie beispielsweise bei Kondensatoren oder Induktivitäten, führt die Energiespeicherung in den Lasten zu einer Phasendifferenz zwischen den Strom- und Spannungswellenformen. Bei jedem Wechselstromzyklus wird zusätzliche Energie zusätzlich zu der in der Last verbrauchten Energie in elektrischen oder magnetischen Feldern in der Last zwischengespeichert und einen Bruchteil der Zeit später in das Stromnetz zurückgespeist.

Stromkreise mit überwiegend ohmschen Lasten (Glühlampen, Heizelemente) haben einen Leistungsfaktor von fast 1, aber Stromkreise mit induktiven oder kapazitiven Lasten (Elektromotoren, Magnetventile, Transformatoren, Leuchtstofflampen-Vorschaltgeräte und andere) können einen Leistungsfaktor gut haben unten 1.

Im Stromnetz verursachen Blindlasten ein kontinuierliches “Ebbe und Flut” von unproduktiver Leistung. Eine Schaltung mit einem niedrigen Leistungsfaktor verwendet eine größere Strommenge, um eine bestimmte Menge an Wirkleistung zu übertragen, als eine Schaltung mit einem hohen Leistungsfaktor, was zu erhöhten Verlusten aufgrund von Widerstandserwärmung in Stromleitungen führt und die Verwendung von höheren Nennwerten erfordert Leiter und Transformatoren.

Definition und Berechnung[edit]

Wechselstrom hat zwei Komponenten:

Zusammen bilden sie die komplexe Kraft (

S{displaystyle S}

) ausgedrückt in Volt-Ampere (VA). Der Betrag der komplexen Leistung ist die Scheinleistung (

|S|{displaystyle |S|}

), auch in Volt-Ampere (VA) angegeben.

VA und var sind Nicht-SI-Einheiten, die mathematisch mit Watt identisch sind, werden jedoch in der Ingenieurpraxis anstelle von Watt verwendet, um anzugeben, welche Größe ausgedrückt wird. Die SI verbietet ausdrücklich die Verwendung von Einheiten zu diesem Zweck oder als einzige Informationsquelle über eine verwendete physikalische Größe.[4]

Der Leistungsfaktor ist definiert als das Verhältnis von Wirkleistung zu Scheinleistung. Da Leistung über eine Übertragungsleitung übertragen wird, besteht sie nicht nur aus Wirkleistung, die nach der Übertragung an die Last Arbeit verrichten kann, sondern besteht aus einer Kombination von Wirk- und Blindleistung, der sogenannten Scheinleistung. Der Leistungsfaktor beschreibt die Menge der über eine Übertragungsleitung übertragenen Wirkleistung im Verhältnis zur gesamten in der Leitung fließenden Scheinleistung.[5][6]

Der Leistungsfaktor kann auch als Kosinus des Winkels θ berechnet werden, um den die Stromwellenform der Spannungswellenform nacheilt,[7] oder äquivalent der Winkel, um den die Spannungswellenform der Stromwellenform vorauseilt.

Machtdreieck[edit]

Leistungsdreieckdiagramm.jpg

Man kann die verschiedenen Komponenten der Wechselstromleistung in Beziehung setzen, indem man das Leistungsdreieck im Vektorraum verwendet. Wirkleistung erstreckt sich horizontal in der realen Achse und Blindleistung erstreckt sich in Richtung der imaginären Achse. Die komplexe Leistung (und ihre Größe, Scheinleistung) stellt eine Kombination aus Wirk- und Blindleistung dar und kann daher unter Verwendung der Vektorsumme dieser beiden Komponenten berechnet werden. Wir können daraus schließen, dass die mathematische Beziehung zwischen diesen Komponenten ist:

Wenn der Winkel θ mit fester Gesamtscheinleistung zunimmt, sind Strom und Spannung weiter phasenverschoben. Die Wirkleistung nimmt ab und die Blindleistung steigt.

Nachlaufende und führende Leistungsfaktoren[edit]

Leistungsfaktor wird beschrieben als führend wenn die Stromwellenform in Bezug auf die Spannung phasenverschoben ist, oder zurückgeblieben wenn die Stromwellenform hinter der Spannungswellenform liegt. Ein nacheilender Leistungsfaktor bedeutet, dass die Last induktiv ist, da die Last Blindleistung „verbraucht“. Die reaktive Komponente

Q{displaystyle Q}

ist positiv, da Blindleistung durch den Stromkreis fließt und von der induktiven Last „verbraucht“ wird. Ein voreilender Leistungsfaktor bedeutet, dass die Last kapazitiv ist, da die Last Blindleistung „liefert“ und damit die Blindkomponente

Q{displaystyle Q}

negativ ist, da dem Stromkreis Blindleistung zugeführt wird.

Lagging-Leading.jpg

Wenn θ der Phasenwinkel zwischen Strom und Spannung ist, dann ist der Leistungsfaktor gleich dem Kosinus des Winkels,

cosθ{displaystyle costheta}

:

Da die Einheiten konsistent sind, ist der Leistungsfaktor per Definition eine dimensionslose Zahl zwischen -1 und 1. Wenn der Leistungsfaktor gleich 0 ist, ist der Energiefluss vollständig reaktiv und die in der Last gespeicherte Energie kehrt bei jedem Zyklus zur Quelle zurück. Bei einem Leistungsfaktor von 1 wird die gesamte von der Quelle gelieferte Energie von der Last verbraucht. Leistungsfaktoren werden normalerweise als “voreilend” oder “nacheilend” angegeben, um das Vorzeichen des Phasenwinkels zu zeigen. Kapazitive Lasten sind voreilend (Strom eilt der Spannung voraus) und induktive Lasten sind nacheilend (Strom eilt der Spannung nach).

Wenn eine rein ohmsche Last an eine Stromversorgung angeschlossen wird, ändern Strom und Spannung schrittweise die Polarität, der Leistungsfaktor beträgt 1 und die elektrische Energie fließt in jedem Zyklus in eine einzige Richtung durch das Netzwerk. Induktive Lasten wie Induktionsmotoren (jede Art von gewickelter Spule) verbrauchen Blindleistung, wobei die Stromwellenform der Spannung nacheilt. Kapazitive Lasten wie Kondensatorbänke oder erdverlegte Kabel erzeugen Blindleistung, wobei die Stromphase der Spannung vorauseilt. Beide Arten von Lasten absorbieren während eines Teils des Wechselstromzyklus Energie, die im magnetischen oder elektrischen Feld des Geräts gespeichert wird, nur um diese Energie während des Rests des Zyklus an die Quelle zurückzugeben.

Um beispielsweise 1 kW Wirkleistung zu erhalten, muss bei einem Leistungsfaktor von Eins 1 kVA Scheinleistung übertragen werden (1 kW ÷ 1 = 1 kVA). Bei niedrigen Werten des Leistungsfaktors muss mehr Scheinleistung übertragen werden, um die gleiche Wirkleistung zu erhalten. Um 1 kW Wirkleistung bei einem Leistungsfaktor von 0,2 zu erhalten, müssen 5 kVA Scheinleistung übertragen werden (1 kW ÷ 0,2 = 5 kVA). Diese Scheinleistung muss erzeugt und an die Last übertragen werden und unterliegt den Verlusten bei den Erzeugungs- und Übertragungsprozessen.

Elektrische Verbraucher, die Wechselstrom verbrauchen, verbrauchen sowohl Wirkleistung als auch Blindleistung. Die Vektorsumme von Wirk- und Blindleistung ist die komplexe Leistung und ihr Betrag ist die Scheinleistung. Das Vorhandensein von Blindleistung führt dazu, dass die Wirkleistung kleiner als die Scheinleistung ist, sodass die elektrische Last einen Leistungsfaktor von weniger als 1 hat.

Ein negativer Leistungsfaktor (0 bis −1) kann sich aus der Rückführung von Wirkleistung in die Quelle ergeben, beispielsweise bei einem Gebäude mit Solarpaneelen, wenn überschüssiger Strom ins Netz zurückgespeist wird.[8][9][10]

Leistungsfaktorkorrektur von linearen Lasten[edit]

Leistungsfaktorkorrektur der linearen Last

Ein hoher Leistungsfaktor ist in einem Leistungsversorgungssystem im Allgemeinen wünschenswert, um Verluste zu reduzieren und die Spannungsregelung an der Last zu verbessern. Kompensationselemente in der Nähe einer elektrischen Last reduzieren den Scheinleistungsbedarf des Versorgungsnetzes. Eine Leistungsfaktorkorrektur kann von einem Stromübertragungsunternehmen angewendet werden, um die Stabilität und Effizienz des Netzwerks zu verbessern. Einzelne Stromkunden, die von ihrem Versorger für einen niedrigen Leistungsfaktor in Rechnung gestellt werden, können Korrekturgeräte installieren, um ihren Leistungsfaktor zu erhöhen, um die Kosten zu senken.

Die Leistungsfaktorkorrektur bringt den Leistungsfaktor eines Wechselstromkreises näher an 1, indem sie Blindleistung zuführt oder absorbiert, indem Kondensatoren oder Induktoren hinzugefügt werden, die die induktiven bzw. kapazitiven Auswirkungen der Last aufheben. Zum Ausgleich der induktiven Wirkung von Motorlasten können örtlich Kondensatoren angeschlossen werden. Diese Kondensatoren helfen, Blindleistung zu erzeugen, um den Bedarf der induktiven Lasten zu decken. Dadurch wird verhindert, dass die Blindleistung den ganzen Weg vom Netzgenerator zur Last fließen muss. In der Elektrizitätsindustrie sollen Induktoren Blindleistung verbrauchen und Kondensatoren sie liefern, obwohl Blindleistung nur Energie ist, die sich bei jedem Wechselstromzyklus hin und her bewegt.

Die Blindelemente in Geräten zur Leistungsfaktorkorrektur können beim Ein- oder Ausschalten Spannungsschwankungen und harmonisches Rauschen erzeugen. Sie liefern oder senken Blindleistung unabhängig davon, ob in der Nähe eine entsprechende Last betrieben wird, wodurch die Leerlaufverluste des Systems erhöht werden. Im schlimmsten Fall können reaktive Elemente mit dem System und miteinander interagieren und Resonanzbedingungen erzeugen, was zu Systeminstabilität und starken Überspannungsschwankungen führt. Daher können reaktive Elemente nicht einfach ohne technische Analyse angewendet werden.

Ein automatische Leistungsfaktorkorrektureinheit besteht aus mehreren Kondensatoren, die über Schütze geschaltet werden. Diese Schütze werden von einem Regler gesteuert, der den Leistungsfaktor in einem elektrischen Netzwerk misst. Abhängig von der Last und dem Leistungsfaktor des Netzwerks schaltet der Leistungsfaktorregler die erforderlichen Kondensatorblöcke schrittweise um, um sicherzustellen, dass der Leistungsfaktor über einem ausgewählten Wert bleibt.

Anstelle eines Satzes geschalteter Kondensatoren kann ein unbelasteter Synchronmotor Blindleistung liefern. Die vom Synchronmotor aufgenommene Blindleistung ist eine Funktion seiner Felderregung. Es wird als a . bezeichnet Synchronkondensator. Es wird gestartet und an das Stromnetz angeschlossen. Es arbeitet mit einem führenden Leistungsfaktor und legt je nach Bedarf Vars an das Netzwerk an, um die Spannung eines Systems zu unterstützen oder den Leistungsfaktor des Systems auf einem bestimmten Niveau zu halten.

Installation und Betrieb des Synchronkondensators sind identisch mit denen großer Elektromotoren. Sein Hauptvorteil ist die Leichtigkeit, mit der der Korrekturbetrag angepasst werden kann; es verhält sich wie ein variabler Kondensator. Anders als bei Kondensatoren ist die zugeführte Blindleistung proportional zur Spannung, nicht zum Quadrat der Spannung; Dies verbessert die Spannungsstabilität in großen Netzen. Synchronkondensatoren werden häufig im Zusammenhang mit Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsprojekten oder in großen Industrieanlagen wie Stahlwerken eingesetzt.

Zur Blindleistungskompensation von Hochspannungsnetzen oder großen, schwankenden Industrielasten werden zunehmend leistungselektronische Geräte wie der Static VAR Compensator oder STATCOM eingesetzt. Diese Systeme sind in der Lage, plötzliche Änderungen des Leistungsfaktors viel schneller zu kompensieren als schützgeschaltete Kondensatorbänke, und als Festkörper erfordern sie weniger Wartung als Synchronkondensatoren.

Nichtlineare Lasten[edit]

Beispiele für nichtlineare Lasten in einem Stromversorgungssystem sind Gleichrichter (wie sie in einer Stromversorgung verwendet werden) und Lichtbogenentladungsvorrichtungen wie Leuchtstofflampen, elektrische Schweißmaschinen oder Lichtbogenöfen. Da der Strom in diesen Systemen durch einen Schaltvorgang unterbrochen wird, enthält der Strom Frequenzkomponenten, die ein Vielfaches der Netzfrequenz sind. Verzerrungsleistungsfaktor ist ein Maß dafür, um wie viel die harmonische Verzerrung eines Laststroms die durchschnittliche an die Last übertragene Leistung verringert.

Sinusförmige Spannung und nicht-sinusförmiger Strom ergeben einen Verzerrungsleistungsfaktor von 0,75 für diese Computernetzteillast.

Nicht-sinusförmige Komponenten[edit]

Bei linearen Schaltungen mit nur sinusförmigen Strömen und Spannungen einer Frequenz ergibt sich der Leistungsfaktor nur aus der Phasendifferenz zwischen Strom und Spannung. Dies ist der “Verschiebungsleistungsfaktor”.[11]

Nichtlineare Lasten ändern die Form der Stromwellenform von einer Sinuswelle in eine andere Form. Nichtlineare Lasten erzeugen zusätzlich zum ursprünglichen Wechselstrom (Grundfrequenz) Oberschwingungsströme. Dies ist in praktischen Stromversorgungssystemen von Bedeutung, die nichtlineare Lasten enthalten, wie z. B. Gleichrichter, einige Formen elektrischer Beleuchtung, Elektrolichtbogenöfen, Schweißgeräte, Schaltnetzteile, drehzahlgeregelte Antriebe und andere Geräte. Filter aus linearen Kondensatoren und Induktivitäten können das Eindringen von Oberschwingungsströmen in das speisende Netz verhindern.

Um die Wirkleistung oder Blindleistung zu messen, muss ein Wattmeter verwendet werden, das für nicht-sinusförmige Ströme geeignet ist.

Verzerrungsleistungsfaktor[edit]

Die Verzerrungsleistungsfaktor ist die Verzerrungskomponente, die mit den im System vorhandenen harmonischen Spannungen und Strömen verbunden ist.

THDich{displaystyle {mbox{THD}}_{i}}

ist die gesamte harmonische Verzerrung des Laststroms.

ich1{displaystyle I_{1}}

ist die Grundkomponente des Stroms und

ichrms{displaystyle I_{mbox{rms}}}

ist der Gesamtstrom – beides sind Effektivwerte (der Verzerrungsleistungsfaktor kann auch verwendet werden, um einzelne Oberschwingungen zu beschreiben, indem der entsprechende Strom anstelle des Gesamtstroms verwendet wird). Diese Definition bezüglich des Klirrfaktors geht davon aus, dass die Spannung unverzerrt bleibt (sinusförmig, ohne Oberschwingungen). Diese Vereinfachung ist oft eine gute Näherung für steife Spannungsquellen (die nicht von Laständerungen nachgeschaltet im Verteilnetz beeinflusst werden). Die gesamte harmonische Verzerrung typischer Generatoren durch die Stromverzerrung im Netz liegt in der Größenordnung von 1 bis 2 %, was größere Auswirkungen haben kann, aber in der allgemeinen Praxis ignoriert werden kann.[12]

Das Ergebnis multipliziert mit dem Verschiebungsleistungsfaktor (DPF) ist der gesamte, wahre Leistungsfaktor oder nur der Leistungsfaktor (PF):

Verzerrungen in Drehstromnetzen[edit]

In der Praxis beruhen die lokalen Auswirkungen des Verzerrungsstroms auf Geräte in einem dreiphasigen Verteilungsnetz eher auf der Größe bestimmter Oberschwingungen als auf der Gesamtverzerrung.

Zum Beispiel haben die dreifachen oder Nullsequenz-Oberschwingungen (3., 9., 15. usw.) die Eigenschaft, im Vergleich von Zeile zu Zeile gleichphasig zu sein. In einem Dreieck-Stern-Transformator können diese Oberwellen zu Kreisströmen in den Dreieck-Wicklungen und zu einer stärkeren Widerstandserwärmung führen. In einer Stern-Konfiguration eines Transformators erzeugen Triplen-Oberwellen diese Ströme nicht, aber sie führen zu einem Strom ungleich Null im Neutralleiter. Dies könnte in einigen Fällen den Neutralleiter überlasten und zu Fehlern in Kilowattstunden-Messsystemen und Abrechnungseinnahmen führen.[13][14] Das Vorhandensein von Stromoberwellen in einem Transformator führt auch zu größeren Wirbelströmen im Magnetkern des Transformators. Wirbelstromverluste nehmen im Allgemeinen mit dem Quadrat der Frequenz zu, wodurch der Wirkungsgrad des Transformators sinkt, zusätzliche Wärme abgeführt und seine Lebensdauer verringert wird.[15]

Negative Harmonische (5., 11., 17. usw.) kombinieren 120 Grad phasenverschoben, ähnlich wie die Grundharmonische, jedoch in umgekehrter Reihenfolge. In Generatoren und Motoren erzeugen diese Ströme Magnetfelder, die der Rotation der Welle entgegenwirken und manchmal zu schädlichen mechanischen Schwingungen führen.[16]

Schaltnetzteile[edit]

Eine besonders wichtige Klasse nichtlinearer Lasten sind die Millionen von Personalcomputern, die typischerweise Schaltnetzteile (SMPS) mit einer Nennausgangsleistung im Bereich von wenigen Watt bis mehr als 1 kW enthalten. Historisch gesehen enthielten diese sehr kostengünstigen Netzteile einen einfachen Vollweggleichrichter, der nur leitete, wenn die momentane Netzspannung die Spannung an den Eingangskondensatoren überstieg. Dies führt zu sehr hohen Verhältnissen von Spitzen- zu Durchschnittseingangsstrom, was auch zu einem geringen Verzerrungsleistungsfaktor und möglicherweise ernsthaften Bedenken hinsichtlich der Phasen- und Neutralleiterbelastung führt.

Ein typisches Schaltnetzteil wandelt zunächst das Wechselstromnetz mittels eines Brückengleichrichters in einen DC-Bus um. Von diesem DC-Bus wird dann die Ausgangsspannung abgeleitet. Das Problem dabei ist, dass der Gleichrichter ein nichtlineares Gerät ist, sodass der Eingangsstrom stark nichtlinear ist. Das bedeutet, dass der Eingangsstrom Energie bei Harmonischen der Frequenz der Spannung hat. Für Energieversorger stellt dies ein Problem dar, da sie den Oberwellenstrom nicht durch Hinzufügen einfacher Kondensatoren oder Induktivitäten kompensieren können, wie dies bei der Blindleistungsaufnahme einer linearen Last der Fall wäre. Viele Gerichtsbarkeiten beginnen, eine Leistungsfaktorkorrektur für alle Stromversorgungen über einem bestimmten Leistungspegel zu verlangen.

Regulierungsbehörden wie die EU haben Oberwellengrenzwerte als Methode zur Verbesserung des Leistungsfaktors festgelegt. Sinkende Komponentenkosten haben die Implementierung von zwei verschiedenen Methoden beschleunigt. Um die aktuelle EU-Norm EN61000-3-2 zu erfüllen, müssen alle Schaltnetzteile mit einer Ausgangsleistung von mehr als 75 W mindestens eine passive Blindleistungskompensation beinhalten. Die 80 Plus-Netzteilzertifizierung erfordert einen Leistungsfaktor von 0,9 oder mehr.[17]

Leistungsfaktorkorrektur (PFC) bei nichtlinearen Lasten[edit]

Passiver PFC[edit]

Die einfachste Möglichkeit, den Oberwellenstrom zu kontrollieren, besteht darin, einen Filter zu verwenden, der Strom nur bei Netzfrequenz (50 oder 60 Hz) durchlässt. Der Filter besteht aus Kondensatoren oder Induktivitäten und lässt ein nichtlineares Gerät eher wie eine lineare Last aussehen. Ein Beispiel für passive PFC ist eine Valley-Fill-Schaltung.

Ein Nachteil der passiven PFC besteht darin, dass sie größere Induktoren oder Kondensatoren erfordert als eine aktive PFC-Schaltung mit äquivalenter Leistung.[18][19][20] Außerdem ist die passive PFC in der Praxis oft weniger effektiv bei der Verbesserung des Leistungsfaktors.[21][22][23][24][25]

Aktiver PFC[edit]

Spezifikationen aus der Verpackung eines 610-W-PC-Netzteils mit aktivem PFC-Rating

Active PFC ist die Verwendung von Leistungselektronik, um die Wellenform des von einer Last gezogenen Stroms zu ändern, um den Leistungsfaktor zu verbessern.[26] Einige Arten der aktiven PFC sind Buck, Boost, Buck-Boost und Synchronkondensator. Die aktive Leistungsfaktorkorrektur kann einstufig oder mehrstufig sein.

Bei einem Schaltnetzteil wird zwischen dem Brückengleichrichter und den Haupteingangskondensatoren ein Hochsetzsteller eingefügt. Der Aufwärtswandler versucht, an seinem Ausgang eine konstante Spannung aufrechtzuerhalten, während er einen Strom zieht, der immer in Phase und mit derselben Frequenz wie die Netzspannung ist. Ein weiterer Schaltwandler im Netzteil erzeugt die gewünschte Ausgangsspannung aus dem DC-Bus. Dieser Ansatz erfordert zusätzliche Halbleiterschalter und Steuerelektronik, erlaubt aber billigere und kleinere passive Komponenten. Es wird in der Praxis häufig verwendet.

Für ein dreiphasiges SMPS kann die Wiener Gleichrichterkonfiguration verwendet werden, um den Leistungsfaktor wesentlich zu verbessern.

SMPS mit passiver PFC können einen Leistungsfaktor von etwa 0,7–0,75 erreichen, SMPS mit aktiver PFC einen Leistungsfaktor von bis zu 0,99, während ein SMPS ohne Leistungsfaktorkorrektur einen Leistungsfaktor von nur etwa 0,55–0,65 hat.[27]

Aufgrund ihres sehr weiten Eingangsspannungsbereichs können sich viele Netzteile mit aktiver PFC automatisch auf den Betrieb mit Wechselstrom von etwa 100 V (Japan) bis 240 V (Europa) einstellen. Diese Funktion ist besonders bei Netzteilen für Laptops willkommen.

Dynamischer PFC[edit]

Die dynamische Leistungsfaktorkorrektur (DPFC), manchmal auch als “Echtzeit-Leistungsfaktorkorrektur” bezeichnet, wird zur elektrischen Stabilisierung bei schnellen Lastwechseln (z. B. an großen Fertigungsstandorten) verwendet. DPFC ist nützlich, wenn eine Standard-Leistungsfaktorkorrektur eine Über- oder Unterkorrektur verursachen würde.[28] DPFC verwendet Halbleiterschalter, typischerweise Thyristoren, um Kondensatoren oder Induktivitäten schnell zu verbinden und zu trennen, um den Leistungsfaktor zu verbessern.

Bedeutung in Vertriebssystemen[edit]

75-MVAr-Kondensatorbank in einer 150-kV-Umspannstation

Leistungsfaktoren unter 1,0 erfordern, dass ein Versorgungsunternehmen mehr als die minimalen Volt-Ampere erzeugt, die zur Bereitstellung der Wirkleistung (Watt) erforderlich sind. Dies erhöht die Erzeugungs- und Übertragungskosten. Wenn der Lastleistungsfaktor beispielsweise nur 0,7 betragen würde, wäre die Scheinleistung das 1,4-fache der von der Last verbrauchten Wirkleistung. Der Leitungsstrom in der Schaltung wäre auch das 1,4-fache des Stroms, der bei einem Leistungsfaktor von 1,0 erforderlich ist, sodass die Verluste in der Schaltung verdoppelt würden (da sie proportional zum Quadrat des Stroms sind). Alternativ würden alle Komponenten des Systems wie Generatoren, Leiter, Transformatoren und Schaltanlagen in Größe (und Kosten) vergrößert, um den zusätzlichen Strom zu tragen. Bei einem Leistungsfaktor nahe Eins kann bei gleichem kVA-Nennwert des Transformators mehr Laststrom geliefert werden.[29]

Versorgungsunternehmen berechnen gewerblichen Kunden, deren Leistungsfaktor unter einem bestimmten Grenzwert liegt, der normalerweise 0,9 bis 0,95 beträgt, zusätzliche Kosten. Ingenieure interessieren sich oft für den Leistungsfaktor einer Last als einen der Faktoren, die die Effizienz der Kraftübertragung beeinflussen.

Angesichts der steigenden Energiekosten und Bedenken hinsichtlich der effizienten Energieversorgung hat sich aktive PFC in der Unterhaltungselektronik immer mehr durchgesetzt.[30] Aktuelle Energy Star-Richtlinien für Computer[31] fordern einen Leistungsfaktor von ≥ 0,9 bei 100 % der Nennleistung im Netzteil des PCs. Laut einem von Intel und der US-Umweltschutzbehörde verfassten Whitepaper benötigen PCs mit internen Netzteilen eine aktive Leistungsfaktorkorrektur, um die ENERGY STAR 5.0-Programmanforderungen für Computer zu erfüllen.[32]

In Europa verlangt EN 61000-3-2, dass die Leistungsfaktorkorrektur in Verbraucherprodukte integriert wird.

Kleinkunden, wie z. B. Haushalten, wird normalerweise keine Blindleistung in Rechnung gestellt, und daher werden keine Geräte zur Messung des Leistungsfaktors für diese Kunden installiert.

Messtechniken[edit]

Der Leistungsfaktor in einem einphasigen Stromkreis (oder einem symmetrischen dreiphasigen Stromkreis) kann mit der Wattmeter-Amperemeter-Voltmeter-Methode gemessen werden, bei der die Leistung in Watt durch das Produkt aus gemessener Spannung und Strom geteilt wird. Der Leistungsfaktor einer symmetrischen mehrphasigen Schaltung ist der gleiche wie der jeder Phase. Der Leistungsfaktor einer unsymmetrischen Polyphasenschaltung ist nicht eindeutig definiert.

Ein direkt ablesbarer Leistungsfaktormesser kann mit einem Drehspulenmesser des elektrodynamischen Typs hergestellt werden, der zwei senkrechte Spulen auf dem beweglichen Teil des Instruments trägt. Das Feld des Instruments wird durch den Stromfluss der Schaltung erregt. Die beiden Tauchspulen A und B sind parallel zur Schaltungslast geschaltet. Eine Spule A wird über einen Widerstand und die zweite Spule B über eine Induktivität verbunden, sodass der Strom in Spule B gegenüber dem Strom in A verzögert wird. Beim Leistungsfaktor Eins ist der Strom in A in Phase mit dem Strom des Stromkreises und Spule A liefert das maximale Drehmoment, wodurch der Zeiger des Instruments in Richtung der 1,0-Markierung auf der Skala bewegt wird. Bei einem Leistungsfaktor von null ist der Strom in Spule B in Phase mit dem Strom des Schaltkreises, und Spule B liefert ein Drehmoment, um den Zeiger in Richtung 0 zu treiben. Bei Zwischenwerten des Leistungsfaktors addieren sich die von den beiden Spulen bereitgestellten Drehmomente und der Zeiger nimmt Zwischenwerte Positionen.[33]

Ein anderes elektromechanisches Instrument ist der Typ mit polarisierten Flügeln.[34] Bei diesem Instrument erzeugt eine stationäre Feldspule ein rotierendes Magnetfeld, genau wie ein mehrphasiger Motor. Die Feldspulen werden entweder direkt an mehrphasige Spannungsquellen oder bei einphasiger Anwendung an eine Phasenschieberdrossel angeschlossen. Eine zweite stationäre Feldspule, senkrecht zu den Spannungsspulen, führt einen Strom proportional zum Strom in einer Phase des Stromkreises. Das Bewegungssystem des Instruments besteht aus zwei Flügeln, die von der Stromspule magnetisiert werden. Im Betrieb nehmen die beweglichen Flügel einen physikalischen Winkel ein, der dem elektrischen Winkel zwischen der Spannungsquelle und der Stromquelle entspricht. Dieser Instrumententyp kann für Ströme in beiden Richtungen registriert werden, was eine Vier-Quadranten-Anzeige des Leistungsfaktors oder des Phasenwinkels liefert.

Es gibt digitale Instrumente, die die Zeitverzögerung zwischen Spannungs- und Stromwellenformen direkt messen. Kostengünstige Instrumente dieser Art messen die Spitze der Wellenformen. Anspruchsvollere Versionen messen nur die Spitze der Grundharmonische und liefern so eine genauere Messung des Phasenwinkels bei verzerrten Wellenformen. Die Berechnung des Leistungsfaktors aus Spannungs- und Stromphasen ist nur dann genau, wenn beide Wellenformen sinusförmig sind.[35]

Netzqualitätsanalysatoren, oft auch als Leistungsanalysatoren bezeichnet, erstellen eine digitale Aufzeichnung der Spannungs- und Stromwellenform (normalerweise entweder einphasig oder dreiphasig) und berechnen genau die wahre Leistung (Watt), Scheinleistung (VA) Leistungsfaktor, Wechselspannung, Wechselstrom, Gleichspannung, Gleichstrom, Frequenz, IEC61000-3-2/3-12 Oberschwingungsmessung, IEC61000-3-3/3-11 Flickermessung, Einzelphasenspannungen in Dreieckanwendungen ohne Neutralleiter, Gesamtoberschwingung Verzerrung, Phase und Amplitude einzelner Spannungs- oder Stromoberwellen usw.[36][37]

Mnemonik[edit]

Englischsprachigen Studenten der Energietechnik wird empfohlen, sich daran zu erinnern: “ELI the ICE man” oder “ELI on ICE” – die Spannung E, führt den Strom I, in einer Induktivität L. Der Strom I führt der Spannung E in einem Kondensator C.

Ein weiteres gebräuchliches Merkzeichen ist “CIVIL” – in einem Kondensator (C) führt der Strom (I) zur Spannung (V), die Spannung (V) führt zum Strom (I) in einer Induktivität (L).

Verweise[edit]

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  2. ^ Boylestad, Robert (2002-03-04). Einführende Schaltungsanalyse (10. Aufl.). P. 857. ISBN 978-0-13-097417-4.
  3. ^ “SI-Einheiten – Elektrizität und Magnetismus”. CH: Internationale Elektrotechnische Kommission. Archiviert von das Original am 11.12.2007. Abgerufen 14. Juni 2013.
  4. ^ Das Internationale Einheitensystem (SI) [SI brochure] (PDF). § 5.3.2 (S. 132, 40 in der PDF-Datei): BIPM. 2006.CS1-Wartung: Standort (Link)
  5. ^ Maßgebliches Wörterbuch der Normenbegriffe (7. Aufl.), IEEE, 2000, ISBN 978-0-7381-2601-2, Std. 100
  6. ^ Test-Use-Standarddefinitionen für die Messung elektrischer Leistungsgrößen unter sinusförmigen, nicht-sinusförmigen, symmetrischen oder unsymmetrischen Bedingungen, IEEE, 2000, ISBN 978-0-7381-1963-2, Std. 1459–2000. Anmerkung 1, Abschnitt 3.1.1.1 stellt bei der Definition der Größen für den Leistungsfaktor fest, dass die Wirkleistung nur zur Last fließt und niemals negativ sein kann. Ab 2013 räumte einer der Autoren ein, dass dieser Hinweis falsch war und wird für die nächste Auflage überarbeitet. Sehen http://powerstandards.com/Shymanski/draft.pdf Archiviert 04.03.2016 bei der Wayback Machine
  7. ^ Suresh Kumar, KS (2013). Stromkreisanalyse. Pearson. P. 8.10. ISBN 978-8-13-179155-4.
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  9. ^ Zhang, S. (Juli 2006), “Analyse einiger Messprobleme bei Durchführungs-Leistungsfaktortests im Feld”, IEEE-Transaktionen zur Stromversorgung, 21 (3): 1350–56, doi:10.1109/tpwrd.2006.874616, S2CID 39895367, …(die Messung) ergibt sowohl einen negativen Leistungsfaktor als auch einen negativen Widerstandsstrom (Verlustleistung)
  10. ^ Almarhoud, AF; et al. (2004), “Leistung netzgekoppelter Induktionsgeneratoren unter selbstgeführten Wechselspannungsreglern”, Elektrische Leistungskomponenten und -systeme, 32 (7): 691–700, doi:10.1080/15325000490461064, S2CID 110279940, Dementsprechend verbraucht der Generator Wirkleistung aus dem Netz, was zu einem negativen Leistungsfaktor führt.
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  21. ^ Zusammenfassung der ATX-Netzteile, xBit labs, archiviert von das Original am 20.11.2008, Der Leistungsfaktor ist das Maß für die Blindleistung. Es ist das Verhältnis von Wirkleistung zur Summe aus Wirk- und Blindleistung. Bei einem normalen Netzteil liegt er bei etwa 0,65, aber Netzteile mit aktiver PFC haben einen Leistungsfaktor von 0,97–0,99. […] Hardware-Reviewer machen manchmal keinen Unterschied zwischen dem Leistungsfaktor und dem Effizienzfaktor. Obwohl diese beiden Begriffe die Wirksamkeit eines Netzteils beschreiben, ist es ein grober Fehler, sie zu verwechseln. […] Die passive PFC hat einen sehr geringen Effekt – der Leistungsfaktor wächst nur von 0,65 auf 0,7–0,75.
  22. ^ Der Markt für aktive PFC wird bis 2011 voraussichtlich mit einer Jahresrate von 12,3 % wachsen, Artikel finden, 16. März 2006, archiviert von das Original am 1. September 2009, Produkte mit höherer Leistung verwenden wahrscheinlich auch aktive PFC, da dies der kostengünstigste Weg wäre, um Produkte in Übereinstimmung mit der EN-Norm zu bringen.
  23. ^ Leistungsfaktorkorrektur, TECHarp, Passiver PFC […] der Leistungsfaktor ist mit 60–80% gering. […] Active PFC … ein Leistungsfaktor von bis zu 95 %
  24. ^ Warum wir PFC im Netzteil brauchen, Silverstone Technology, archiviert von das Original am 22.12.2008, Normalerweise beträgt der Leistungsfaktorwert eines elektronischen Geräts ohne Leistungsfaktorkorrektur ungefähr 0,5. […] Passiver PFC […] 70~80% […] Aktiver PFC […] 90~99,9%
  25. ^ Brooks, Tom (März 2004), “PFC-Optionen für Netzteile”, Taiyo, Elektronische Produkte, archiviert von das Original am 02.12.2008, Die Nachteile passiver PFC-Techniken bestehen darin, dass sie typischerweise einen Leistungsfaktor von nur 0,60 bis 0,70 liefern […] Zweistufige aktive PFC-Technologie [yields] ein Leistungsfaktor typischerweise größer als 0,98
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Externe Links[edit]


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