Leistungsfaktor-Controller sparen Energie - kgk

BAU ELEMENTE
Elektromechanik
Leistungsfaktor-Controller
sparen Energie
Günter Haas
Schon im Grundstudium haben wir es gelernt: Je besser der Leistungsfaktor, um so geringer
sind die Verluste in der Elektronik. Wie man diese altbekannte „Erkenntnis“ in die Praxis
umsetzt und was man dabei beachten muss erfahren Sie zusammen mit der nötigen Theorie
und Beispielen aus der Praxis in dem folgenden Beitrag.
I
n den letzten Jahren hat die Bedeutung des EC-Motors (elektronisch
kommutierter Motor) stark an Bedeutung hinzugewonnen, weil er sich
in erster Linie durch einen wesentlich
höheren Wirkungsgrad als ein vergleichbarer Wechselstrommotor auszeichnet. Außerdem lassen sich EC-Motoren über analoge oder digitale Eingänge stufenlos steuern, während
gleichzeitig komplexe Regelungen einfach integriert werden können und eine
Vernetzung über einen Datenbus möglich ist.
EC-Motoren weisen eine sehr hohe Lebensdauer auf, lassen sich einfach in ihrer Drehrichtung umkehren und verfügen über integrierte Schutzfunktionen
wie Blockierschutz, UnterspannungsAbschaltung, Überwachung der Elektronik-Temperatur, Überwachung der
Motortemperatur, Phasenausfall-Erkennung sowie Strombegrenzung.
Zum 01.01.2001 trat die Norm
EN61000-3-2 in Kraft. Diese Norm enthält die zulässigen Grenzwerte der
Oberschwingungsanteile des Eingangsstromes elektronischer Geräte. Stromoberschwingungen erhöhen nämlich
die Belastung des Versorgungsnetzes,
denn sie sorgen für eine höhere Belastung des Versorgungsnetzes, für er-
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höhte Verluste auf Grund von Blindleistung sowie für eine geringere Lebensdauer der Geräte, die durch erhöhte
zeitliche Schwankungen des Kondensatorstromes verursacht werden.
Zur Reduzierung der Oberschwingungsanteile wird ein Power-FactorController (PFC, Leistungsfaktor-Controller) eingesetzt. Prinzipiell wird zwischen aktivem und passivem PFC unterschieden.
Grundprinzipien
Die passive Lösung zur Unterdrückung
der Stromoberwellen besteht in erster
Linie aus einer Netzdrossel und zusätzlichen Filterkapazitäten. Passive Varianten sind in der Regel etwas kostengünstiger als aktive Varianten, benötigen
aber mehr Raum auf der Elektronik, um
einen ebenso guten Leistungsfaktor
(= cos ϕ) wie bei einer aktiven Lösung
zu erreichen.
Bei Geräten, die aus dem Drehstromnetz gespeist werden, ist eine passive
Lösung wesentlich kostengünstiger als
eine aktive Lösung. Dies liegt an der
gleichgerichten Wechselspannung. Bei
einem Einphasennetz liegt der Momentan-Spannungsbereich der gleichgerichteten Spannung Udc zwischen 0 V Bild 1: Prinzipschaltbild eines aktiven Leistungsfaktor-Controllers
Grafik: ebm Werke
elektronik industrie 09-2002
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Bild 2 (links) und Bild 3 (rechts): Vergleich zwischen zwei Elektronik-Baugruppen, die am selben Arbeitspunkt betrieben werden Dabei ist bei der linken Schaltung der PFC ausgeschaltet und bei der rechten Baugruppe eingeschaltet.
Grafik: ebm Werke
und √2 Uac,eff. Der Momentan-Spannungswert der gleichgerichteten Spannung Udc bei einem Dreiphasennetz
liegt zwischen 1,22 * Uac,eff und √2 Uac.
Da die gleichgerichtete Spannung bei
derartigen Anwendungen, die aus einem Dreiphasennetz gespeist werden,
während des Betriebs nie auf 0 V absinken kann, können die Forderungen bezüglich der Oberschwingungen nach
Norm EN61000-3-2 durch den Einbau
einer Netzdrossel eingehalten werden.
Durch einen aktiven PFC kann die Ausgangsgleichspannung, die im allgemeinen als Zwischenkreis-Spannung UZK
bezeichnet wird, über einen Wert
UZK > √2 Uac,eff angehoben werden. Der
PFC arbeitet in diesem Fall als ein
DC/DC-Wandler im HochsetzstellerModus.
Zur Realisierung eines aktiven PFCs
werden neben den passiven Komponenten noch ein schneller Leistungstransistor und eine schnelle Diode mit
geringer Sperrerholungszeit (Boostdiode) benötigt. Die Schaltfrequenz des
Leistungstransistors liegt im Bereich
40 kHz und 200 kHz. Es gibt zwei unterschiedliche Verfahren zur Realisierung eines PFCs.
Funktionsweise
Beim Verfahren 1 wird der Leistungstransistor mit einer festen Frequenz getaktet, die im Bereich zwischen 40 kHz
und 80 kHz liegt. Bei Verfahren 2 wird
der Transistor mit variabler Frequenz
40 kHz bis 200 kHz getaktet. Die
Schaltfrequenz hängt hierbei von der
Eingangsspannung und der Aufnahmeleistung ab. Die Schaltfrequenz wird geringer, wenn die Aufnahmeleistung
stiegt, und sie wird höher, wenn die
Eingangsspannung höher wird.
Auf Grund der hohen Schaltfrequenzen
kommt in einer derartigen Applikation
ein MOSFET zur Anwendung. In Bild 1
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PFCs zu verhindern. Wird die Spannung
UDC,in größer als UZK, dann wird das
durch das Regel-IC erzeugte PWM-Signal abgeschaltet und der Transistor wird
im sperrenden Zustand gehalten. Dadurch erhöhen sich aber die Oberschwingungsanteile im Eingangsstrom.
Wird der MOSFET eingeschaltet, so
fließt ein Strom über die Speicherdrossel, den MOSFET und den Shunt nach
Masse. Die Stromanstiegs-Geschwindigkeit wird durch die momentan anliegende Eingangsspannung UDC,in sowie
die Drossel-Induktivität bestimmt. Die
Messung des Magnetisierungs-Stroms
wird über den Shunt-Widerstand realisiert. Eine Auswerteschaltung schaltet
den MOSFET bei Überstrom ab und verhindert so das Ansteigen des Stromes
über den Sättigungsstrom.
Wird nun der elektronische Schalter
geöffnet, so treibt
die Speicherdrossel
den Strom weiter
und der Zwischenkreis-Kondensator
wird über die BoostDiode geladen. Die
Diode
verhindert
das Entladen des
Kondensators bei eiBild 4: Die Frequenzspektren der Schaltungen aus nem erneuten EinGrafik: ebm Werke
Bild 2 und Bild 3.
schalten des MOSFETs. Über die VariPWM-Controller beinhaltet. Abhängig anz der Einschaltdauer des MOSFETs
von der Gleichspannung UDC,in am Ein- kann der Eingangsstrom der Eingangsgang wird die Pulsbreite des PWM-Sig- spannung nachgeführt werden.
nals zur Ansteuerung des PFC-Transistors geregelt.
Messergebnisse
Die Zwischenkreisspannung UZK wird
über einen Spannungsteiler eingestellt, In den Bildern 2 und 3 ist ein Vergleich
indem dem Regel-IC die aus dem Span- zwischen zwei Elektroniken, die am selnungsteiler resultierende Spannung ben Arbeitspunkt betrieben werden,
UZK’ rückgeführt wird. Es ist darauf zu dargestellt. Dabei ist bei der ersten
achten, dass die Spannung UZK größer Elektronik der PFC ausgeschaltet und
als der Maximalwert der Eingangsspan- bei der zweiten Elektronik eingeschalnung Uac ist, um ein Abschalten des tet. In Bild 2 liegt der gemessene Leiist ein einfaches Prinzipschaltbild eines
aktiven PFCs dargestellt.
Die Frequenz der Eingangsspannung
liegt bei fUdc,in = 2 * fUac. Um eine ausreichende Glättung der ZwischenkreisSpannung zu erzielen muss die Zwischenkreis-Kapazität CZK ausreichend
groß gewählt werden. Eine Faustformel
lautet hierbei 1 µF pro Watt Ausgangsleistung. Dies gilt jedoch nur bei Geräten, die an einem Einphasennetz betrieben werden.
Der PFC führt den Eingangsstrom
der sinusförmigen Eingangsspannung
nach, so dass die Oberschwingungsanteile im Eingangsstrom stark reduziert
werden. Kernstück des PFCs ist ein handelsübliches Regel-IC, wie es von verschiedenen Halbleiterherstellern angeboten wird, das im Wesentlichen einen
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stungsfaktor bei LF = 0,625 und in
Bild 3 bei LF = 0,99.
Aus den Messungen ergeben sich folgende Aufnahmeleistungen für die jeweilige Elektronik:
Bild 2: P = U * I * LF = 207 V * 0,96A * 0,625
= 124,2 W
Bild 3: P = U * I * LF = 207 V * 0,63A * 0,990
= 129,1 W
Die Differenz der Aufnahmeleistung
spiegelt den Wert der Verlustleistung
wider, die durch den PFC verursacht
wird. Der Stromverlauf in Bild 2 zeigt im
Prinzip den Ladestrom des Zwischenkreis-Kondensators. Steigt die
Spannung UDC,in über die momentane
Spannung UZK an, so wird der Kondensator geladen. Nachdem die Spannung
wieder unter die aktuelle Spannung UZK
sinkt, ist der Ladevorgang beendet, der
Strom geht wieder auf 0 zurück.
In Bild 3 ist der Betrieb mit PFC dargestellt. Die Stromform wird nahezu identisch der Spannungsform Uac nachgebildet. In Bild 4 sind die beiden Frequenzspektren der in den Bildern 2 und
3 dargestellten Ströme zu sehen.
Ein weiterer Vorteil des PFCs ist an den
gemessenen Effektiv- und Maximalwer-
ten des Eingangsstroms Iac zu sehen.
Wie bereits beschrieben, wurden die
Elektronik-Baugruppen im selben Arbeitspunkt betrieben. Bei Betrieb mit
PFC ist sowohl der Stromspitzenwert,
als auch der Effektivwert des Eingangsstromes geringer als bei einem Betrieb
ohne PFC.
Dieser Vorteil wirkt sich besonders bei
Anlagen mit vielen einzelnen solcher
Baugruppen aus.
Unter anderem werden von ebm auch
Reinraumanlagen, die in der Chipfertigung eingesetzt werden, mit Ventilatoren ausgestattet. Bei derartigen Anlagen werden zeitgleich mehrere tausend
Ventilatoren am Versorgungsnetz betrieben, die alle über ein Bussystem miteinander verbunden sind.
Um die Installationskosten und Betriebskosten solcher Anlagen niedrig zu
halten, ist ein PFC von wesentlichem
Vorteil. Der Leitungsquerschnitt der
Versorgungsleitungen zu den einzelnen
Ventilatoren kann kleiner gewählt werden als bei Ventilatorsteuerungen ohne
PFC, da der Effektivwert des Eingangsstromes wesentlich kleiner ist. Auch
können die Abschaltströme der Sicherungen kleiner gewählt werden. Diese
beiden Faktoren beeinflussen im we-
sentlichen die Installationskosten (Einmalkosten).
Mit einer derartigen Busstruktur lassen
sich mehrere tausend Geräte an einer
Leitstation betreiben. Bei einer so
großen Anlage ist ein Power-FactorController für jede Einzelelektronik unbedingt erforderlich, um die Oberschwingen beherrschen zu können.
Werden die einzelnen Elektronik-Baugruppen nicht mit einem PFC ausgestattet, so muss der Anlagenbetreiber
ein zentrales Entstörfilter einbauen. Ein
derartiges Filter ist jedoch sehr voluminös und teuer. Außerdem können die
Störungen, die durch die Oberschwingungs-Anteile der einzelnen Geräte
verursacht werden, andere Geräte in
der Anlage negativ beeinflussen, da sie
nicht direkt am Entstehungsort herausgefiltert werden.
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Dipl.-Ing. Günter Haas ist bei den
ebm Werken GmbH & Co. KG im Bereich der Elektronikentwicklung für ECElektroniken zuständig.