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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Warenwirtschaft, Produktionsplanung, Kundenbeziehungen

Nutzen Sie unsere Warenwirtschafts, Produktionsplanung und Kundenbeziehungssoftware

Wir arbeiten nun seit über 20 Jahren mit dem vorliegenden Warenwitschafts, Produktionsplanungs und Kundenbeziehungs System. In dieser Zeit wurde das System laufend verbessert und den Anforderungen eine KMU-Betriebs mit Produktion von elektronischen Geräten angepasst.
Das System besteht im wesentlichen aud den drei folgenden Teilen:

Warenwirtschaft
mit Lagerführung, Beschaffung und Inventur

Produktionsplanung
mit Stücklisten (hirarchisch mit Baugruppen), Arbeitsanweisungen, Testprotokollen

Kundenbeziehungen
mit Kundenkontakten, Service und Reparaturprotokollen, Lieferungsüberwachung, Rückverfolgbarkeit von Produkten

Wir bieten Ihnen nun dieses System an. Es lässt sich auf Ihre Anforderungen zuschneiden. Wobei es in der vorliegenden Fassung sicher schon weite Teile Ihrer Anforderungen abdeckt. Fragen Sie bei uns an, um im Detail zu erfahren was das System leistet und zu welchen Konditionen Sie dieses System nutzen können.

Hier gelangen Sie zu einer Kurzvorstellung der Software und deren Möglichkeiten

Längsgeregelte Labornetzgeräte von INNOTEC-Netzgeräte GmbH

Rüsten Sie jetzt Ihr Labor mit neuen Labornetzgeräten aus.

Längsgeregelte Netzgeräte bieten im bei der Entwicklung von elektronischen Schaltungen klare Vorteile. Sie können so störende Einflüsse aus dem Netzgerät sicher ausschliessen. Sie sollen sich auf Ihre Entwicklung konzentrieren können und sollen sich nicht mit unnötigen Störeinflüssen aus dem Netzgerät befassen müssen.

Unsere Labornetzgeräte bieten bis zu vier galvanisch getrennte Ausgangskanäle. Sie können diese Kanäle in Serie oder Parallel schalten. Zum Beispiel mit dem LAB930 (3 Kanäle) haben Sie in einem kompakten Gerät alle in einer Elektronikentwicklung benötigten Spannungen auf dem Laborplatz. Das Gerät liefer total ca. 250W und Sie können Spannungen bis 100V breit stellen. Alle Spannungen und Ströme können digital voreingestellt werden, ohne dass Sie dazu Spannung an den Ausgängen anstehen haben müssen. Sie finden bei uns Labornetzgeräte mit bis zu 3600V Ausgangsspannung.

Kontaktieren Sie uns jetzt und lassen Sie sich die aktuelle Preisliste dieser Labornetzgeräte zusenden. Für Bestellungen bis Ende August 2020 erhalten Endkunden 20% Rabatt auf ausgewählten Labornetzgeräten (beachten Sie dazu die Preisliste und solange der Vorrat reicht).

Kaufen Sie jetzt Labornetzgerät bei uns und profitieren Sie von den günstigen Konditionen.

Link zur Preisliste

pA, nA, µA oder mA Strommessung auf Hochspannungsausgängen pAM14

Die hoch empfindliche Strommessungen an Ausgängen von Hochspannungsnetzgeräten stellt verschiedene Anforderungen, die nicht einfach auf einen Nenner zu bringen sind. Wenn Ströme im Bereich von mA bis hinunter in den nA oder pA Bereich erfasst werden sollen, sind hoch sensible Messschaltungen von Nöten. Je geringer der zu Messende Strom ist, umso wesentlicher sind Ableit- und/oder Fehlströme. Zudem werden für diese kleinen Ströme grosse Verstärkungen benötigt, um den Messwert verarbeiten zu können. Aber genau diese Schaltungen fordern entweder, dass sichergestellt werden kann, dass keine hohen Spannungen (in der Regel unter 10V) an der Messstelle auftreten können oder dass eine entsprechende Schutzschaltung dafür sorgt, dass dies nicht passiert. Diese Schutzschaltungen bedürfen aber einer besonderen Betrachtung, da durch diese im Normalbetrieb keine Fehlströme verursacht werden dürfen. Auf der anderen Seite wird die Ausgangsspannung bei Hochspannungsnetzgeräte im Allgemeinen mittels Koaxialkabel zum Verbraucher geführt. Diese Kabel weisen jedoch zwangsläufig eine Kabelkapazität auf. Dies führt besonders beim Einschalten der Ausgangsspannung zu Spannungsüberhöhungen an der Messstelle, da das Kabel im ersten Moment wie ein Kurzschluss wirkt (bis die Kabelkapazität geladen ist). Wenn diese Strommessung auf einer Ausgangsspannung von mehreren kV gemacht wird, kann kurzzeitig die volle Ausgangsspannung an der Messstelle anliegen. Dies würde unweigerlich zu einer Zerstörung der Messelektronik führen. Durch eine geeignete Schutzschaltung kann dies verhindert werden. Im Normalbetrieb sind die Komponenten der Schutzschaltung so zu wählen, dass die Fehlströme je nach tiefstem Messbereich immer mindestens ca. um das 10 bis besser 100 fache kleiner sind als dieser Messbereich. Bei einem Messbereich von 1nA müssen somit die Fehlströme wesentlich tiefe als 100pA sein, besser im Bereich von 10pA, um noch brauchbare Messresultate zu erhalten. Wenn die Messung zudem noch schnell erfolgen soll, kann auch mit der Filterung der Spannung wenig erreicht werden.

INNOTEC-Netzgeräte GmbH hat eine solche Messelektronik entwickelt und in verschiedenen Kundenlösungen zur Anwendung gebracht. Mit dieser Lösung lassen sich Messbereiche bis in den kleinen pA-Bereich realisieren, die Spannungsspitzen von bis 7kV verkraften können. Die Lösung überträgt die Messwerte asynchron über einen Lichtleiter auf Groundpotential, um Ableitströme über die Messleitung zu verhindern. Die Messelektronik kann entweder aus der Hochspannung oder von einer Batterie versorgt werden. Da es immer eine sehr auf den Kundenbedarf ausgerichtete Lösung sein wird, ist dieses Lösung nicht als Standardprodukt ab Lager verfügbar. Sie wird jeweils auf Grund der Kundenspezifikationen gefertigt.

Bemerkung:

Bei mehreren Messbereichen kann die Messbereichsumschaltung bis hinunter in den Bereich von 1µA mit speziellen FET (mit sehr geringem Gatestrom im kleinen nA Bereich) gemacht werden. Bei Messbereichen im nA und pA Bereich werden dafür aber Reedrelais benötigt (Steuerstrom ist vollständig vom Messstrom getrennt).

Vorteil der Lösung:

Strommessung unabhängig von Erd- und Ableitströmen, es wird nur der Wirkstrom direkt am Ausgang gemessen

Einsatzgebiete:

Messtechnik in der Hochspannungsumgebung, Strommessung an Ionenpumpen, Strommessung an Photomultipliern, Gitterstrommessungen

Bild:
Das Bild zeigt eine Lösung mit fünf Messbereichen von 2µA bis 20mA für den Einsatz auf einer Ausgangsspannung von ca. 5500V. Es erfolgt eine automatische Messbereichsumschaltung. Die Messwerte werden mit einem Optic
al-Link von der hochspannungsseitigen Strommessung asynchron auf Groundpotential übertragen. Die Auflösung ist 12Bit in jedem Messbereich. Es werden ca. 4500 Messwerte inklusive dem Messbereich pro Sekunde übertragen. Zudem verfügt diese Lösung über eine redundante Überstromerkennung für eine anlageseitige Weiterverarbeitung. Auch diese Information wird zusammen mit den Messwerten übertragen. Die Empfängerelektronik überwacht die Messung auf eine regelmässige Datenlieferung. Sollte diese ausfallen wird ein Alarm ausgelöst

Bemerkung:
Die gezeigte Platine enthält noch weitere kundenspezifische Funktionen, die nicht direkt mit der Strommessung zusammenhängen!

1. Der Weg zum kundenspezifischen Netzgerät

Teil 1

Der Weg zum kundenspezifischen Netzgerät

Der erste Schritt zu einem neueen Netzgerät ist eine gute Spezifikation dieses Netzgerätes. Der Kunde und der Entwickler müssen sich  von Anfang an im Klaren sein was das Netzgerät können muss. Werden zu einem späteren Zeitpunkt Spezifikationen angepasst oder gar neue Anforderungen eingebracht kann dies zu grossen Zeitverzögerungen, zusätzlichen Kosten für die Entwicklung und höhere Produktkosten führen. Somit ist in diesem ersten Schritt ein schlüssiges und möglicht vollständiges Pflichtenheft zu erstellen.

Die Hauptpunkte sind die folgenden:

Die elektrischen Spezifikationen des Eingangs und der Ausgänge
(Spannungen, Ströme, Restwelligkeiten, Toleranzen, usw.)
Die Umgebungsbedingungen in denen Das Netzgerät arbeiten muss
(Temperatur, Kühlmöglichkeiten, Luftfeuchte, Höhe über Meer, Vibrationen, usw.)
Der Platz für das Netzgerät
(Dimensionen, Zugänglichkeit, Schutz vor Berührung, usw.)
Wie wird das Netzgerät in der Anlage angeschlossen
(Stecker, Kontakte, Kabel, usw.)
Zusatzfunktionen
(Alarme, Schutzmassnahmen, Signalisationen, externe Steuerbarkeit, Rüücklesbarkeit von Werten, usw.)
Schaltungsart
(getaktet, längsgeregelt, magnetisch gereegelt, usw.)
Geforderte Zulasssungen
(UL, VDE, ETL, CSA, usw.)
Die Mengenvorstellung des Kunden bestimmt unter Anderem die Lösung
(Gesamtmenge über die erwartete Laufzeit, Jahresmengen, usw.)
Die Preisvorstellung des Kunden bestimmt unter Anderem die Lösung
Einsatzgebiet des Netzgerätes
(hilfreiche Information zum Bewerten von Lösungsansätzen)  

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Eisenkern vs. Ferritkern bei Transformatoren

Da das Kernmaterial eines Transformators laufen ummagnetisiert ist ein Faktor für die Materialwahl von ausschlaggebender Bedeutung: Die Wirbelstromverluste im Kernmaterial. Bei jeder Ummagnetisierung wird eine Spannung in das Kernmaterial induziert, nicht nur in die Sekundärwicklung. Je grösser nun die Fläche des Kernmaterials und je besser die Leitfähigkeit des Materials ist, umso grösser fallen die durch diese induzierte Spannung im Material getriebenen Ströme aus. Diese Ströme erzeugen im Kernmaterial des Transformators Wärme und das wirkt sich direkt auf den Wirkungsgrad des Transformators aus. Damit steht die Forderung im Raum, dass das Kernmaterial möglichst eine schlechte elektrische Leitfähigkeit haben soll. Auf der anderen Seite soll das Kernmaterial eine möglichst hohe Magnetisierbarkeit aufweisen. Wie das so ist in der Physik sind diese beiden Forderungen nicht vollständig unter einen Nenner zu bringen. Als magnetische Kenngrösse steht die magnetisch Flussdichte / Induktion (Vs/m2) im Vordergrund. Jedes Material hat eine maximale Induktion. Wenn diese überschritten wird gehen die magnetischen Eigenschaften des Materials verloren. Eine wichtige Rolle spiel in diesem Zusammenhang die Formel: B = (U x t)/(N x A) {B: Magnetische Induktion; U: Angelegte Spannung; t: Zeit in der die Spannung anliegt; N: Die Windungszahl; A: Die Querschnittsfläche des Transformatorkerns}. Das Ziel ist meistens ein möglichst kleiner Trafo zu realisieren. Die begrenzenden Werte bei einer gegebenen Spannung und Zeit sind B und A. Beide Werte haben direkt auf die Grösse des Kerns und damit auf die Grösse des Trafos einen Einfluss.
Eisenwerkstoffe haben im allgemeinen sehr hohe Induktionswerte. Dies wird aber durch die gute Leitfähigkeit des Materials wieder relativiert. Wenn die Anzahl der Ummagnetisierungen zu hoch ist falle hohe Ummagnetisierungsverluste im Kern an. Aus diesem Grund eignen sich Eisenwerkstoffe nur für Transformatoren mit geringer Frequenz. Für den Einsatz mit der Netzfrequenz von 45Hz bis 63Hz (Länderabhängig) eignen sich diese Eisenwerkstoffe sehr gut. Damit auch die Wirbelströme nicht zu gross werden, werden nicht die Kerne nicht aus Vollmaterial hergestellt, sonder durch Schichtung von Blechen, die gegeneinander isoliert sind. Tiefe Frequenzen bedingen aber auch bei hohen Induktionen noch grosse Windungszahlen. Das alles Führt dazu, dass Transformatoren für die Netzfrequenz relativ gross ausfallen.
Für die Verkleinerung der Trafos muss auf ein Material zurückgegriffen werden, das eine sehr geringe Leitfähigkeit hat und möglichst kleine Ummagnetisierungsverluste aufweist. Da kommt das Ferritmaterial zum Tragen. Ferrite sind weitgehend Nichtleiter und können somit auch keine Wirbelströmme führen. Der Nachteil ist jedoch die wesentlich geringere Induktion von Ferritmaterial. Eisenmaterial kann bis ca. 1,6 … 1,8T magnetisiert werden, im Gegensatz dazu kann Ferrit nur bis ca. 0,3T magnetisiert werden. Der grosse Vorteil liegt aber darin, dass die Ummagnetisierungsfrequenz sehr hoch sein kann. Je nach Material werden in Leistungskernen bis einige MHz verwendet.
Rein auf die magnetische Eigenschaften bezogen könnte man einen Trafo mit derselben Primärspannung um den Faktor 380 oder mehr kleiner machen, wenn man Ferrit (Frequenz: 100kHz) an der Stelle von Eisen (Frequenz: 50Hz) verwendet. Dagegen spricht jedoch dass ja auch der Strom durch die Wicklungen getrieben werden muss und die ohmschen Verluste nicht zu hoch ausfallen sollen. Damit wird der Gewinn an Verkleinerung noch stark reduziert, es resultiert noch ein Wert von ca. 19 mal kleiner als der Eisentrafo.
Je nach Einsatzgebiet haben aber beide Trafoarten nach wie vor Ihre Anwendungen. Im Bereich der Netzspannungsverteilung werden fast ausschliesslich Eisentrafos verwendet. Dies liegt vor allem darin begründet, dass die von den Kraftwerken erzeugte Frequenz sehr tief ist, da sie aus der Umdrehungszahl der Generatoren ableitet. Für die Feinverteilung in Geräten kommen aber immer häufiger Wandler mit Ferritkerntransformatoren zum Einsatz. Hier spielen die Dimension und die Kosten eine wichtige Rolle. Weniger Material, weniger Kupfer und wesentlich geringere Windungszahlen machen die Herstellung von Ferrittrafos günstig.
Trafoformeln

Transformator: 50/60Hz vs. 100kHz

Der Vorteil eines Hochfrequenztransformers gegenüber dem 50/60Hz Typen (Netzfrequenz) ist seine wesentlich kleinere Bauform. Dadurch können wesentlich kompaktere Netzgeräte hergestellt werden.
Durch die höhere Frequenz wird weniger magnetisches Material für die Kopplung der Primär- und Sekundärseite des Transformators benötigt. Die Energieübertragung bei 100kHz erfolgt in kleineren Energieportionen, was eine kleinere magnetische Masse benötigt.
Eine beliebige Steigerung der Frequenz fordert durch den kleineren Platzbedarf aber zusätzliche Massnahmen für eine sichere galvanische Trennung zu Einhaltung von Sicherheitsnormen.
Bei einem einfachen Beispiel mit 200W Ausgangsleistung an 230V Eingangsspannung und 24V Ausgangsspannung kommen in etwa folgende Verhältnisse zwischen den beiden Lösungen heraus:
Der *50Hz* Trafo benötigt ca. *6,6 mal soviel Platz* auf der Leiterplatte wie sein *100kHz* Pendant (Platzbedarf).
Der *50Hz* Trafo hat ca. *17,3 mal soviel Volumen* wie sein *100kHz* pendant (Gewicht).
Für die Leistungsübertragung wurde für die 50Hz Variante ein EI105b Trafo mit Kernorientiertem Blech und für die 100kHz Variante einen ETD34 Ferritetrafo gewählt.

Das neue LAB110S

LAB110S

getaktetes Labornetzgerät bis 600W

Das LAB110S verfügt über einen Weitbereichseingang von 90Vac bis 264Vac. Durch die getaktete Vorregelung kann das Gerät kompakt gestaltet werden und verursacht nur geringe Abwärme bei voller Last. Die Ausgangsspannung wird linear nachgeregelt. Die Einstellung der Spannung, des Stroms und der Überspannungsbegrenzung mittels eines Drehgebers. Das Gerät kann optional mit verschiedenen Sonderfunktionen ausgestattet werden.

Spezifikationen

0 - 60V / 5A / 300W

0 - 30V / 10A / 300W

0 - 60V / 10A / 600W

digitale Spannungs-, Strom- und OVP Voreinstellung

extern steuerbar

Dimensionen:
Breite: 220mm, Höhe: 94mm, Tiefe: 300mm

Dieses Labornetzgerät wird ab Herbst 2020 verfügbar sein. Bedingt durch die aktuelle Corona-Virus-Pandemie ist eine frühere Verfügbarkeit nicht sichergestellt.
Wenn Sie interessiert sind können Sie sich aber schon jetzt bei uns melden und wir informieren Sie, wenn Geräte verfügbar sind.
Über unser Kontaktformular können Sie sich einerseits weitere Informationen zum Gerät zukommen und sich für die Erinnerung, dass die Geräte verfügbar sind vormerken lassen.

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