Power Faktor Regelung bei Netzgeräten

Power Faktor Regelung bei Netzgeräten

Die PFC (Power Factor Correction) Regelung hat zwei Ziele. Sie stellt aber auch eine zusätzliche Wandlerstufe in einem Netzgerät dar. Nebst den Normauflagen bietet diese Vorregelung auch Vorteile für das Netzgerät als solches.

Die Norm schreibt vor, dass der Strom der aus dem Stromversorgungsnetz entnommen wird weitgehend in Phase mit der Spannung sein muss. Dies ist wichtig, um die Blindleistung im Netz niedrig zu halten, welche zwar das Netz belastet aber nicht als Wirkleistung in die Stromverrechnung eingeht. Diese Forderung ist insbesondere mit der starken Verbreitung von getakteten Netzgeräten in den Focus gelangt. Diese getakteten Netzgeräte haben oder hatten als erstes nach einem Netzfilter einen Gleichrichter und eine relativ grosse Speicherkapazität. Das führt zu einer stark pulsförmigen Stromaufnahme aus dem Netz. Der Spitzenstrom überschreitet dabei den der Leistung entsprechenden RMS-Strom um ein Weites. Damit wird das Versorgungsnetz mit überproportional hohen Strömen im Vergleich zur der bezogenen Leistung belastet. Zusätzlich treten diese Stromspitzen in einem Netz natürlich absolut synchron zueinander auf, da sie durch die Netzfrequenz gesteuert sind. Je nach der Kapazitätsgrösse und der Restwelligkeit der erzeugten Gleichspannung sind die Strompulse grösser oder kleiner. Je geringer die Restwelligkeit und je grösser die Kapazität ist, umso grösser sind die Stromspitzen. Je höher die Gesamtheit dieser Strompeaks ausfällt umso niederohmiger muss das Netz gestaltet sein. Also müssen Drahtquerschnitte verwendet werden, die wesentlich grösser sind als sie für die bezogene Wirkleistung sein müssten. Das ist ökonomisch und ökologisch nicht interessant.

Die PFC-Vorregelung sorgt für eine weitgehend sinusförmige Stromaufnahme aus dem Netz. Dazu wird ein „Aufwärtswandler“ benötigt. Dieser lädt schon bei kleinen Werten der Sinusspannung den Zwischenkreiskondensator ein wenig. Mit steigender Spannung wird auch der Ladestrom in den Kondensator erhöht. Damit erscheint der Verbraucher gegenüber dem Netz wie ein einfacher passiver Widerstand. Damit dies funktioniert muss aber die Spannung auf dem Zwischenkreiskondensator klar über der höchsten Spitzenspannungswert der versorgenden Netzspannung liegen. Es muss zu jeder Zeit sichergestellt werden, dass eine „Aufwärtswandlung“ erfolgt. Das wiederum hat den Vorteil, dass ein Weitspannungseingang zur Verfügung steht. Bei richtiger Dimensionierung kann somit das Netzteil in einphasigen Netzen von ca. 85Vac bis 265Vac eingesetzt werden ohne dass eine Spannungsumschaltung vorgenommen werden muss. Da die Funktionsweise des Aufwärtswandlers auf der Eingangsseite einen kontinuierlichen Stromfluss bewirkt ist diese Lösung auch EMV mässig von Vorteil.

Auch der eigentliche Wandler profitiert von diese Vorregelung, ihm steht eine weitgehend konstante Eingangsspannung zur Verfügung. Damit kann fast die gesamte Pulsweitenmodulation zur Einstellung der Ausgangsspannung verwendet werden und muss nicht noch die Variation der Eingangsspannung mit ausgleichen. Damit kann der eigentliche Wandler optimaler dimensioniert werden. Trotz eines grossen Zwischenkreiskondensators, welcher als Energiespeicher bei kurzzeitigen Netzausfällen dient, ist die Stromaufnahme aus dem Netz fast sinusförmig. Es somit je nach Anforderung fast beliebig grosse Zwischenkreiskondensatoren zum Einsatz kommen und die Haltezeit entsprechend anpassen.

Bei einem sehr weiten Spannungseingangsbereich ist jedoch bei der Dimensionierung der Power Faktor Stufe zu beachten, dass die Eingangsströme in einem sehr weiten Bereich abhängig von der Netzspannung variieren können. Das ist wichtig bei der Auslegung und Dimensionierung der PFC-Drossel, dem PFC-Transistor, der Diode und auch der Strommessung. Diesem Anspekt wird später in einem weiteren Dokument die Aufmerksamkeit gewidmet.

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