Leistungsfaktorkorrekturfilter
Ein aktiver oder passiver Leistungsfaktorkorrekturfilter (englisch Power Factor Correction oder englisch Power Factor Compensation, abgekürzt PFC) ist eine elektrische oder elektronische Schaltung, welche den sogenannten Leistungsfaktor in einem bestimmten, gewünschten Bereich hält. Einsatzbereiche sind unter anderem die mit Wechselspannung betriebenen öffentlichen Stromnetze und die daran angeschlossenen elektronischen Verbraucher mit Schaltnetzteilen.
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[Bearbeiten] Allgemeines
Bei nichtlinearen Verbrauchern, die unter anderem Gleichrichter mit nachfolgender Glättung in Schaltnetzteilen darstellen, treten bei sinusförmiger Spannungsversorgung phasenverschobene und nicht sinusförmige Eingangsströme auf. Diese setzen sich aus einer Summe höherfrequenter Anteile, also Oberschwingungen zusammen, die in den Stromversorgungsnetzen und anderen elektrischen Geräten Störungen verursachen können. In Drehstromnetzen können bei ungenügenden Filterung der Oberschwingungen unter Umständen unzulässig hohe Strombelastungen auf dem aus Kostengründen schwächer dimensionierten Neutralleiter auftreten, da sich die ungeraden und durch drei teilbaren Oberschwingungen addieren, statt sich wie bei der Grundschwingung am Neutralleiter gegenseitig aufzuheben.
Der Leistungsfaktor wird durch einen Wert beschrieben welcher möglichst nahe bei dem Betrag knapp unter 1 liegen sollte. Dies wird durch das Leistungsfaktorkorrekturfilter gewährleistet. Übliche Kompensationswerte liegen in dem Bereich um 0,98.
Es sind zwei Varianten üblich:
- Passive Oberschwingungsfilter (Passive PFC)
- Diese Filter sind im Prinzip Netzfilter mit besonders hoher Induktivität. Passive Filter sind einfach herzustellen, erzielen jedoch nur mäßig gute Ergebnisse. Sie werden meistens nur bei kleinen Leistungen (bis etwa 200 Watt) eingesetzt, da ihre Drosseln groß und schwer sind.
- Aktive Oberschwingungsfilter (Aktive PFC)
- Die dafür nötigen Schaltungen sind aufwändiger, erzielen aber eine sehr gute Leistungsfaktorkorrektur (0,99). Eine Art Schaltnetzteil steuert den aufgenommenen Strom dem zeitlichen Verlauf der sinusförmig verlaufenden Netzspannung nach. Diese aktiven PFC-Schaltungen sind einem Gleichrichter direkt nachgeschaltete Aufwärtswandler, die einen großen Kondensator auf eine Spannung oberhalb der Scheitelspannung der Netzwechselspannung aufladen. Aus dessen Spannung (typ. 350…400 V) wird der eigentliche Verbraucher (Schaltnetzteil oder z. B. elektronisches Vorschaltgerät von Leuchtstofflampen) versorgt.
Eine Aktive PFC hat einen weiteren Vorteil: sie gleicht Netzspannungsschwankungen aus. Oft ist sie so dimensioniert, dass damit ausgerüstete Geräte ohne Umschaltung weltweit an allen Netzspannungen arbeiten können (Weitbereichseingang von typ. 100…240 V)
Es wird eine Kombination aus aktiver PFC und passivem Filter eingesetzt: Durch die aktive PFC werden zusätzliche hochfrequente Störungen erzeugt. Diese müssen ihrerseits durch einen vorgeschalteten Netzfilter unterdrückt werden.
[Bearbeiten] PFC als Blindleistungskompensation
Eine Blindleistungskompensation, wie sie mit einem einfachen Kondensator parallel zu einem induktiven Verbraucher erzielt wird, bewirkt demgegenüber nur eine Phasenkorrektur der Stromaufnahme bezüglich der Grundschwingung. Das Ziel, den Wirkfaktor cos(φ) auf nahe Eins zu bringen, kann jedoch damit nur bei linearen induktiven Verbrauchern erreicht werden.
Bei nichtlinearen Verbrauchern ist die Angabe des auf die Grundschwingung bezogenen Wirkfaktors cos(φ) nicht sinnvoll, da hierbei die sogenannte Verzerrungsblindleistung über die Oberschwingungen verteilt ist. Beispiele solcher Verbraucher sind Schaltnetzteile, Netzteile mit Transformator, Gleichrichter und Lade-Kondensator, Lichtbogenöfen, Thyristorsteller und Dimmer sowie die Gleichspannungserzeugung für Frequenzumrichter.
Neben der Blindleistungskompensation durch die PFC, die zwischen das Netz und den Gleichstrom-Verbraucher geschaltet ist, gibt es auch die parallele Kompensation. So kann z. B. eine einphasige Brückenschaltung mit abschaltbaren Ventilen und kapazitiver Last über eine kleine Induktivität ans Netz geschaltet als hochdynamischer Kompensator benutzt werden.
[Bearbeiten] Gesetzliche Bestimmungen
Am 1. Januar 2001 trat eine EMV-Norm in Kraft, die Vorschriften über das zulässige niederfrequente Störspektrum (Oberwellen) für elektronische Verbraucher ab 75 Watt festlegt. Näheres siehe Elektromagnetische_Verträglichkeit#Gesetzliche_Bestimmungen
