Die Leistungsfaktorkorrektur (PFC) ist eine Methode zur Verbesserung der Effizienz elektrischer Anlagen. Sie dient ausschließlich der Erhöhung des Leistungsfaktors Koeffizienten in einem Stromkreis.
Durch eine höhere Effizienz wird die genutzte elektrische Energie maximiert und die Energieverschwendung minimiert.
Natürlich unterscheidet sich die Verlustleistung in einem Gleichstromkreis von der in einem Wechselstromkreis.
Die Verlustleistung in einem Gleichstromkreis berechnet sich einfach aus dem Produkt aus Gleichspannung und Gleichstrom. Dies liegt daran, dass sowohl Induktivität als auch Kondensator in einem Gleichstromkreis vernachlässigbar sind. Die Verlustleistung in einem Gleichstromkreis ist linear.
Anders verhält es sich bei einem Wechselstromkreis, bei dem die durch Induktivität und/oder Kondensator erzeugte Reaktanz den Stromkreis beeinflusst. Die Verlustleistung in einem Wechselstromkreis ändert sich kontinuierlich in Richtung und Betrag, da es sich um eine sinusförmige Wellenform handelt.
Zunächst einmal müssen wir uns zwei Dinge merken:
- Induktivität führt dazu, dass der Strom der Spannung hinterherhinkt (maximal 90°).
- Kapazität führt dazu, dass der Strom der Spannung vorauseilt (maximal 90°).
Was ist Leistungsfaktorkorrektur
Leistungsfaktorkorrektur (PFC) ist eine Schaltung, die die durch induktive Last verursachte Phasenverschiebung durch Parallelschaltung von Kondensatoren oder durch kapazitive Lasten durch Induktivitäten reduziert.
Die Verwendung eines Kondensators oder einer Induktivität zur Korrektur des Leistungsfaktors in unserer Schaltung hängt von der Art des Leistungsfaktors ab. Je höher der Leistungsfaktor (bis 1), desto effizienter arbeitet die Schaltung.
Es gibt drei Arten von Leistungsfaktoren:
Ein Leistungsfaktor von 1 liegt in einem Stromkreis vor, dessen Strom in Phase mit der Spannung ist. Der Leistungsfaktor beträgt 1 (1). Dies ist ein idealer Stromkreis ohne Blindleistung. Der Leistungsfaktor muss nicht korrigiert werden.
Ein nacheilender Leistungsfaktor liegt in einem Stromkreis vor, dessen Strom hinter der Spannung zurückbleibt. Dies wird durch die übermäßige induktive Last im Stromkreis verursacht. Die Nennleistung liegt zwischen 0 und 1, aber der Phasenwinkel zwischen Spannung und Strom ist negativ.
Ein voreilender Leistungsfaktor liegt in einem Stromkreis vor, dessen Strom der Spannung vorauseilt. Dies wird durch die übermäßige kapazitive Last im Stromkreis verursacht. Die Nennleistung liegt zwischen -1 und 0.
Bevor wir uns mit der PF-Korrektur befassen, müssen wir die verschiedenen Leistungsarten genau verstehen:
- Wirkleistung (P) = nutzbare, an die Last übertragene Energie (W). Dies ist die gesamte verfügbare Leistung, die wir vollständig nutzen können.
- Blindleistung (Q) = nutzbar zur Erzeugung magnetischer Felder in induktiven oder kapazitiven Bauteilen (VAR). Diese Leistung wird in die Versorgung zurückgeführt und verursacht Störungen.
- Scheinleistung (S) = die Summe aus Wirk- und Blindleistung (VA). Dies ist die Gesamtmenge der in einem Stromkreis verbrauchten Leistung. Deshalb wird die Stromrechnung auf Basis der Scheinleistung berechnet, auch wenn nur die Wirkleistung vollständig genutzt werden kann.
Beispiel für Leistungsfaktorkorrektur
Die Formel zur Leistungsfaktorkorrektur lässt sich schnell anwenden. Normalerweise müssen zunächst Wirkleistung, Blindleistung, Scheinleistung und Phasenwinkel eines Stromkreises berechnet werden.
Anschließend legen wir den gewünschten Leistungsfaktor fest und berechnen die erforderliche Kapazität oder Induktivität zur Kompensation der Störungen im Stromkreis.
Beispielsweise verwenden wir einen Leistungsfaktorkorrektur Kondensator, um die Verluste in einem RL-Stromkreis zu reduzieren.
Angenommen, wir haben einen Stromkreis mit induktiver Last, sodass der Strom nicht phasengleich zur Spannung ist. Außerdem ist der Leistungsfaktor nicht gleich eins.
Die Impedanz beträgt
Die Spannung VR über dem Widerstand (oder Wirkleistung, P), die Spannung VL über der Induktivität (oder Blindleistung, Q) und die Gesamtleistung (oder Scheinleistung, S) sind
Wir können den Phasenwinkel berechnen mit
Daher
Die Wirkleistung (P), Blindleistung (Q) und Scheinleistung (S) sind
Der Strom hinkt der Spannung um 63° hinterher, mit dem Leistungsfaktor
Um die von der Induktivität verbrauchte Blindleistung (645,25 VAR) zu minimieren, müssen wir dem Stromkreis eine höhere entgegengesetzte Reaktanz hinzufügen.
Beachten Sie, dass bei einem Leistungsfaktor von 0,45 500 VA benötigt werden, um 225 W Wirkleistung zu erzeugen.
Da die induktive Reaktanz positiv ist, können wir der Schaltung eine negative kapazitive Reaktanz hinzufügen, um den Leistungsfaktor so nahe wie möglich an 1 oder 1 zu bringen.
Durch Parallelschalten eines Kondensators zur Induktivität wird die Blindleistung minimiert.
Angenommen, wir möchten den Leistungsfaktor von 0,45 auf 0,90 erhöhen.
Der Phasenwinkel beträgt
Der erforderliche VAR bei Verwendung der oben genannten Wirkleistung beträgt
Das bedeutet, dass unsere bisherige Blindleistung von 645,25 VAR auf 152 VAR korrigiert werden muss. Wir benötigen einen Kondensator, um den Wert von 645,25 – 152 = 493,25 VAR zu reduzieren.
Die benötigte kapazitive Blindleistung beträgt 493,25 VAR, daher sollte die Reaktanz
Um den induktiven Blindwiderstand auszugleichen, benötigen wir bei gleicher Frequenz einen kapazitiven Blindwiderstand von 42,625 Ω.
Die Leistungsfaktorkorrektur wird verwendet, um den benötigten Kondensator zur Kompensation von Störungen durch eine Induktivität oder eine Induktivität zur Kompensation von Störungen durch einen Kondensator zu berechnen.
Hier geht es um die Berechnung des Kondensators, der der Schaltung hinzugefügt werden muss.
Aus all diesen Berechnungen geht hervor, dass wir einen 62,26-µF-Kondensator parallel zur Induktivität benötigen, um den Leistungsfaktor von 0,45 auf 0,90 zu verbessern.
Der neue Wert für die Scheinleistung (S) beträgt
Unten sehen Sie das Leistungsfaktorkorrektur Dreieck, das aus dem Phasenwinkel vor und nach der Phase, der Scheinleistung (S) und der Blindleistung (Q) besteht.
Der aus der Versorgung entnommene Strom beträgt
Dies verdeutlicht den verbesserten Wirkungsgrad, wenn man die 2,48 Ampere betrachtet, die der Versorgung entnommen werden, anstatt 5 Ampere.
Unsere Leistungsfaktorkorrektur Schaltung besteht aus der vorherigen RL-Schaltung mit einem parallel geschalteten PFC-Kondensator.
Alle diese Schritte können für einen kapazitiven Schaltkreis verwendet werden, der durch eine parallel geschaltete Induktivität Last korrigiert wird.