Stromversorgungsdesign Grundlagen der Leistungsfaktorkorrektur

Schaltnetzteile haben sich als Stromversorgungen weitgehend durchgesetzt. Doch ihr Design ist alles andere als trivial. In einer losen Artikelserie wollen wir einige Grundlagen des Stromversorgungsdesigns beleuchten. Im Folgenden geht es um die Leistungsfaktorkorrektur.

Im Gegensatz zu Gleichstrom repräsentiert bei Wechselstrom das Produkt aus den Effektivwerten von Spannung und Strom nicht in jedem Fall die in der Last umgesetzte Leistung. Diese Scheinleistung (angegeben in VA) besteht aus zwei Komponenten: der Wirkleistung P (angegeben in W) und der Blindleistung Q (angegeben in VAr).

In einem Motor zum Beispiel erzeugt allein die Wirkleistung ein Drehmoment oder wird als Arbeit im System umgesetzt. Die Blindleistung Q wird in den reaktiven Bauteilen der Last (Induktivitäten, Kondensatoren) gespeichert und an die Quelle zurücktransportiert, wobei dieser reaktive Strom in den Netzleitungen Verluste in Form von Wärme verursacht (P=I²R). Hilfreich ist, die Scheinleistung als Vektorsumme der Wirk- und Blindleistung darzustellen (Bild 1). Dabei wird ersichtlich: Steigt die Blindleistung Q, wird auch die Scheinleistung S größer, ohne dass die Wirkleistung P zunimmt.

Der Leistungsfaktor ist das Verhältnis aus Wirkleistung zu Scheinleistung (P/S). Im Falle einer rein ohmschen Last ist der Leistungsfaktor gleich 1 und die Scheinleistung entspricht der Wirkleistung. Bei einer idealen Spule oder einem idealen Kondensator ist der Leistungsfaktor gleich 0, und die Wirkleistung ist ebenfalls 0.

Nichtlineare Lasten

Neben dieser Verschiebungsblindleistung, wie sie bei ohmschen, induktiven und kapazitiven Lasten auftritt, gibt es noch eine weitere Art der Blindleistung: die Verzerrungsblindleistung. Sie tritt bei nichtlinearen Lasten auf. Bei linearen Lasten sind Spannung und Strom sinusförmig mit einer einzigen Grundfrequenz. Nichtlineare Lasten sorgen für verzerrte Strom-/Spannungsverläufe am Eingang, die nicht länger sinusförmig sind.

Die Fourier-Analyse unterteilt diesen verzerrten Verlauf in eine Reihe von Sinusverläufen, die bestimmte Amplituden und Phasenverschiebungen aufweisen, deren Frequenzen ganzzahlige Vielfache der Eingangsfrequenz sind (d.h. der Netzfrequenz). So ist ein Rechtecksignal die Summe aller ungeradzahligen Harmonischen (Oberwellen), deren Amplitude gleich dem Kehrwert der Harmonischen ist; und es gibt keine Phasenverschiebung. Nur die Grundfrequenz trägt zur Wirkleistung (Arbeit) bei.

Unverzerrte (lineare) Lasten können einen Leistungsfaktor von 0 bis 1 aufweisen, da sie nur aus der Grundfrequenz bestehen. Nichtlineare Lasten weisen aufgrund der Harmonischen immer einen Leistungsfaktor <1 auf.

Ein Schaltnetzteil ist so eine typische nichtlineare Last. In seiner einfachsten Form besteht der Leistungswandler aus einem Eingangsschaltkreis mit Halb- oder Vollwellengleichrichter, gefolgt von einem Speicherkondensator, um eine ungeregelte Gleichspannung bereitzustellen (Zwischenkreisspannung). Diese Topologie zieht Strom nur dann, wenn die Netzspannung größer ist als die Zwischenkreisspannung, also nur an den Spitzen der Netzspannung. Jeder Puls enthält genug Energie, um die Last bis zur nächsten Spannungsspitze zu versorgen (Bild 2).

Der resultierende Ausgangsstrom ist im Vergleich zum sinusförmigen Eingang stark verzerrt und enthält eine Reihe von Oberwellen. Da der Gleichrichter für die AC-Quelle eine nichtlineare Last darstellt, kann er nie einen einheitlichen Leistungsfaktor erzielen.

Gesetzliche Regelungen

Das Problem für die Energieversorger ist, dass der von einem Gerät mit geringem Leistungsfaktor bezogene Strom viel höher ist als der erforderliche Strom. Dadurch steigen die Kosten bei der Erzeugung und dem Transport des Stroms.

Um die Auswirkungen der Stromerzeugung auf die Umwelt zu verringern und die Störung anderer Lasten im gleichen Versorgungsnetzwerk zu begrenzen, gibt es Richtlinien, um den Klirrfaktor (Verzerrungen durch Oberwellen) von Netzteilen zu begrenzen. So müssen Elektrogeräte in Europa und Japan mit einer Eingangsleistung von 75 W oder mehr der IEC 61000-3-2 entsprechen. Der Standard spezifiziert die maximale Amplitude Oberwellen der Netzfrequenz bis einschließlich der 39. Harmonischen.

Obwohl die USA hier nicht die gleiche Gesetzgebung wie die EU aufweist, setzen das Energy-Star-Programm des US-Energieministeriums sowie Programme wie »80 PLUS« für Computer- und Datencenter-Stromversorgungssysteme enge Grenzen, um einen hohen Leistungsfaktor einzuhalten. Dieser soll ≥0,9 bei 100% der Nennleistung der Stromversorgung sein. Auch anderswo werden diesen Vorgaben gemacht, z.B. in China. Hier treffen Regelungen zu, die denen der europäischen IEC 61000-3-2 entsprechen.

Die Lösung gegen niedrige Leistungsfaktoren und zu viele Oberwellen ist die Leistungsfaktorkorrektur (PFC, Power Factor Correction). Solche Schaltungen formen den Eingangsstrom der Stromversorgung so, dass die Wirkleistung aus dem Netz maximiert und die harmonischen Verzerrungen minimiert werden. Idealerweise sollte ein Elektrogerät eine lineare Last darstellen (wie z.B. ein einfacher Widerstand) und nicht eine reaktive Last einer ungeregelten Stromversorgung. Ein korrigierter Signalverlauf minimiert Verluste sowie Störungen bei anderen Geräten, die von der gleichen Quelle versorgt werden.