Digitale PFC-Regelung Mehrwert für Antriebe

Für industrielle Antriebe wird das Thema »Power Factor Correction« immer wichtiger – primär wegen der verstärkten Regulierung bei den Oberschwingungen, aber auch wegen verschiedener Vorteile auf Systemebene, die digitale PFC-Controller vorweisen können. Zwar sind solche Controller kostspieliger und eventuell komplexer als ihre analogen Pendants, bieten allerdings auch einen Mehrwert.

von Dara O’Sullivan, Senior System Application Engineer bei Analog Devices.

Blindleistungskompensation oder »Power Factor Correction«, kurz PFC, lässt sich mit einer aktiven Schaltkreistopologie, zum Beispiel als ein- oder dreiphasiger Aufwärtswandler, oder nach einem passiven Konzept implementieren. Das passive Konzept beinhaltet den sinnvollen Einsatz von Netzfrequenz-Induktivitäten und -Kondensatoren, um die Stromhüllkurve auf der Netzseite zu formen. Beide PFC-Ansätze versuchen, einen sinusförmigen oder sinusähnlichen Netzstrom in Phase zur Netzspannung zu reproduzieren. Dies minimiert die Verluste, die durch die Oberwellen- und die Blindströme entstehen. Die Kompromisse bei der aktiven und passiven PFC bestehen hinsichtlich Kosten, Gewicht und Abmessungen der passiven Bauteile sowie mit der Blindleistungskompensation verbundenen Verluste.

Einphasige Motorantriebe schalten normalerweise bei Frequenzen im Bereich von 50 kHz bis 100 kHz. Dort ist die aktive PFC im Allgemeinen recht gut akzeptiert (Bild 1). Bei Dreiphasensystemen sind passive harmonische Korrekturen derzeit beliebter und beinhalten normalerweise große 50- beziehungsweise 60-Hz-Induktivitäten in den Leitungen der drei Phasen oder eine einzige Induktivität auf der DC-Seite des Gleichrichters. Es gibt jedoch Vorteile beim Übergang auf eine aktive Blindleistungskompensation bei höheren Leistungen. Aktive PFC-Lösungen (DC- oder AC-seitig) sind deutlich besser hinsichtlich der Abmessungen der Induktivitäten als passive Implementierungen. Außerdem verursachen sie weniger Verluste, wiegen weniger und bieten einen höheren Leistungsfaktor. Für Drehstromsysteme sind Schalttopologien mit AC- oder DC-seitigen HF-Induktivitäten möglich.

Eines der Hindernisse bei der Implementierung einer PFC-Regelung sind die zusätzlichen Kosten für den PFC-Schaltkreis und den PFC-Controller. Dies ist speziell in einem System der Fall, in dem sich der Prozessor auf der Sicherheitskleinspannungsseite (Safety Extra-Low Voltage, SELV) der Isolationsstrecke befindet. In diesem Fall kann es noch komplexer und teurer werden, die PFC-Regelung im Hauptprozessor für die Motorregelung zu implementieren. So sind beispielsweise die Messsignale auf der AC-Seite und die Steuersignale von Prozessor-I/Os und A/D-Wandlern galvanisch zu isolieren. Zudem kann es schwierig sein, die PFC-Regelung mit einer PWM-Frequenz von 50 kHz bis 100 kHz in einem Prozessor zu implementieren, der primär für Motorregelungsanwendungen mit PWM-Frequenzen von 10 kHz bis 20 kHz optimiert ist.

Eine Möglichkeit in diesem Fall besteht darin, einen preiswerten analogen PFC-Controller, wie etwa den »UC3854« von Texas Instruments, zu nutzen und ihn völlig unabhängig vom Haupt-Systemcontroller zu betreiben. Einen Zusatznutzen können digitale PFC-Controller, zum Beispiel der »ADP1047« von Analog Devices, bringen, wenn man sie in Verbindung mit dem Motorsteuerungsprozessor und einem Digitalisolator verwendet. Der Prozessor kann dann einen Teil der Sequencing-, Monitoring- und Schutzfunktionen auf den PFC-Controller auslagern und die Systemfunktionen bei reduzierten Kosten verbessern. Dies kann für Folgendes nützlich sein: 

  • Anlauf- (Start-up) und Abschalt-Sequencing,
  • System-Level-Statusinformation,
  • Information auf dem Display der Benutzeroberfläche,
  • Überwachung in unüblichen Situationen,
  • Minimierung von Sensoranforderungen,
  • Backup-Messungen/Redundanz,
  • Verhalten als Teil des gesamten Systemfehlerschutzes und
  • Controller-Optimierung (via Effizienz).

Was ein typischer digitaler PFC-Controller an System-Monitoring sowie Schutzfunktionen und Sequencing abdeckt, zeigt Bild 2. Aus Sicht der Systementwicklung liegt der Vorteil eines solchen Bauteils auf der Hand: Die gesamten Systemkosten, die Komplexität und die Zahl der Sensoren lassen sich reduzieren, obwohl es selbst teurer sein kann als sein analoger Rivale.