Reelle Leistung vs Scheinleistung vs Blindleistung: Was ist der Unterschied?
Im Stromnetz wird elektrische Energie mit einem AC-Signal bereitgestellt. Unter idealen Bedingungen wäre die Last rein ohmsch, doch durch Motoren in Fabriken und Haushalten ist die Last tatsächlich induktiv.
Es tritt ein Phasenunterschied zwischen der Leistung im Netz und der Leistung in der Last auf. Dies kann als einfacher RL-Schaltkreis betrachtet werden, und wie in Abbildung 1 gezeigt, werden die verschiedenen Leistungen als Wirkleistung, Blindleistung und Scheinleistung bezeichnet:
- Wirkleistung
- Blindleistung
- Scheinleistung
Abbildung 1: Darstellung des Leistungsdreiecks
Arten von elektrischer Energie
Blindleistung stellt die elektrische Energie dar, die in der Spule gespeichert wird und anschließend zurück ins Netz fließt. Ideale Spulen verbrauchen keine elektrische Energie, erzeugen jedoch einen erheblichen elektrischen Strom. Wirkleistung ist die Leistung, die tatsächlich aufgrund der ohmschen Last verbraucht wird, und Scheinleistung ist die Leistung, die das Netz aushalten können muss. Die Einheit der Wirkleistung ist Watt, während die Einheit der Scheinleistung VA (Volt-Ampere) ist.
Vergleich von Wirkleistung, Blindleistung und Scheinleistung
Eine bekannte Analogie wird mit dem Glas Bier und dem Bierschaum gezogen. Die wirksame Leistung ist das, was letztendlich getrunken wird. Das Glas stellt die Scheinleistung dar und muss groß genug sein, um Flüssigkeit und Schaum zu enthalten. Das Thema der Blindleistung ist nicht nur technisch, sondern hat potenziell große wirtschaftliche Auswirkungen. Ein Energieversorgungsunternehmen muss tatsächlich ein Netz aufbauen, das in der Lage ist, die Scheinenergie zu transportieren, stellt jedoch nur die Wirkleistung in Rechnung. Wenn der Unterschied zu groß wäre, wäre dies nicht tragbar. Das Verhältnis zwischen Wirkleistung und Scheinleistung wird als Leistungsfaktor bezeichnet. Der Leistungsfaktor muss so nah wie möglich an eins liegen. Elektronikbauteile, sogenannte Power-Factor-Correctors (PFC), helfen bei dieser Aufgabe. Regierungen verabschieden regelmäßig neue Vorschriften für elektronische Geräte, die strengere Normen erfüllen müssen, um ein gutes Energielabel zu erhalten.
Konventionelle AC-zu-DC-Wandler verwenden normalerweise eine Vollbrückengleichrichterschaltung mit einem einfachen Kondensatorfilter, um Strom aus der AC-Leitung zu ziehen. Folglich ist die Stromwellenform der Leitung ein schmaler Puls, und der Leistungsfaktor ist aufgrund der hohen Oberschwingungsverzerrung des Stroms schlecht (0,5-0,6) (siehe Abbildung 3).
Abbildung 2: AC-zu-DC-Wandler-Gleichung
Verschiedene Methoden existieren, um den Leistungsfaktorkorrektor zu verbessern. Für geringe Leistungen reicht oft eine passive Lösung mit diskreten Bauteilen aus. Wie bereits erwähnt, ist eine Last meistens induktiv, und das Hinzufügen eines Kondensators parallel dazu verbessert den Leistungsfaktor. Wenn Anwendungen einige Dutzend Watt benötigen, ist ein aktiver PFC erforderlich. Die gängigste Topologie ist die Boost-Topologie, die in zwei Unterkategorien unterteilt werden kann:
- Transition Mode (TM) oder Critical conduction Mode (CrM) für einige Dutzend Watt bis zu Hunderten von Watt
- Continuous Conduction Mode (CCM) für einige Hundert Watt bis zu mehreren Tausend Watt
Abbildung 3 zeigt, dass die PFC-Stufe vor dem Bulk-Kondensator als Boost-Wandlerschaltung implementiert wird.
Abbildung 3: PFC - Leistungsfaktorkorrekturstufe
Das Ziel ist es, den Eingangsstrom in sinusförmiger Weise zu formen, phasengleich mit der sinusförmigen Eingangsspannung. Ein interner sinusförmiger Referenzwert wird generiert. Dieser Referenzwert wird mit dem externen Signal verglichen, und wenn der Fehler zu groß ist, wird der MOSFET abgeschaltet. Sobald der Strom null erreicht, wird der MOSFET wieder eingeschaltet. Der Übergangsmodus hat eine feste EIN-Zeitdauer und weist eine Kurve wie in Abbildung 4 auf.
Abbildung 4: MOSFET-Timing und Induktorspannungswellenform - Übergangsmodus
Das System arbeitet (nicht exakt, aber sehr nahe) an der Grenze zwischen kontinuierlichem und diskontinuierlichem Strommodus, weshalb dieses System als Transition Mode PFC bezeichnet wird. Der Strom weist große Amplituden auf, und der Spitzenstrom ist doppelt so hoch wie der Durchschnittsstrom. Daher ist es bei hoher Leistung notwendig, einen Strom zu erhalten, der näher an einer Sinuskurve liegt. Der Continuous Conduction Mode ist die Lösung, da er eine feste Frequenz verwendet, die die Stromschwankungen begrenzt, wie in Abbildung 5 gezeigt. Dies ist das komplexeste Design, aber ein Leistungsfaktor von 0,99 ist erreichbar.
Abbildung 5: MOSFET-Timing und Induktivitätsstrom-Wellenform-Timing - kontinuierlicher Leitungsmodus
Es gibt weitere Methoden wie das Fixed Off Time (FOT)-Timing, bei dem die Modulation während der Einschaltzeit erfolgt. Unter bestimmten Bedingungen können damit Ergebnisse ähnlich dem Current Continuous Mode erzielt werden, jedoch mit einer Implementierung, die dem Transition Mode ähnelt. Wenn die Leistung erhöht werden muss und ein einzelner Transition Mode nicht mehr ausreicht, kann eine Interleaved-PFC-Lösung die Antwort sein. Diese Art von Lösung erfordert mehr Komponenten, kann aber wesentlich einfacher zu entwerfen sein.
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