Leistungsfaktorkorrekturfilter

Ein aktiver oder passiver Leistungsfaktorkorrekturfilter (englisch Power Factor Correction oder Power Factor Compensation, abgekürzt PFC) ist ein spezieller Filter, der vor allem bei Schaltnetzteilen ab einer bestimmten Leistung, wie beispielsweise Computernetzteilen, eingesetzt wird, um den Anteil an störenden Oberschwingungen zu minimieren und damit den Leistungsfaktor λ möglichst nahe an 1 zu bringen.

Allgemeines

Aktive Oberschwingungsfilter mittels Aufwärtswandler. Er magnetisiert seine Speicherdrossel mit einem vorgegebenen Strom

Bei nichtlinearen Verbrauchern, die unter anderem Gleichrichter mit nachfolgender Glättung in Schaltnetzteilen darstellen, treten bei sinusförmiger Spannungsversorgung phasenverschobene und nicht sinusförmige Eingangsströme auf. Diese setzen sich aus einer Summe höherfrequenter Anteile, also Oberschwingungen zusammen, die in den Stromversorgungsnetzen und anderen elektrischen Geräten Störungen verursachen können. In Drehstromnetzen können unter Umständen sogar unzulässig hohe Strombelastungen einzelner Leiter, insbesondere des Neutralleiters, entstehen. Daher ist es notwendig, den Stromverlauf möglichst sinusförmig zu gestalten und den Blindstromanteil zu minimieren.

Die Leistungsfaktorkorrektur behebt die nichtlineare Stromaufnahme von Verbrauchern und bewirkt im Falle der aktiven PFC gleichzeitig eine Kompensation der Blindleistung (Blindstromkompensation).

Zu diesem Zweck sind zwei Varianten üblich:

• Passive Oberschwingungsfilter (Passive PFC): Diese Filter sind im Prinzip Netzfilter mit besonders hoher Induktivität. Passive Filter sind einfach herzustellen, erzielen jedoch nur mäßig gute Ergebnisse. Sie werden meistens nur bei kleinen Leistungen (bis etwa 200 Watt) eingesetzt, da ihre Drosseln groß und schwer sind.
• Aktive Oberschwingungsfilter (Aktive PFC): Die dafür nötigen Schaltungen sind aufwändiger, erzielen aber eine sehr gute Leistungsfaktorkorrektur (0,99). Eine Art Schaltnetzteil steuert den aufgenommenen Strom dem zeitlichen Verlauf der sinusförmig verlaufenden Netzspannung nach. Diese aktiven PFC-Schaltungen sind einem Gleichrichter direkt nachgeschaltete Aufwärtswandler, die einen großen Kondensator auf eine Spannung oberhalb der Scheitelspannung der Netzwechselspannung aufladen. Aus dessen Spannung (typ. 350…400 V) wird der eigentliche Verbraucher (Schaltnetzteil oder z. B. elektronisches Vorschaltgerät von Leuchtstofflampen) versorgt.

Eine Aktive PFC hat einen weiteren Vorteil: sie gleicht Netzspannungsschwankungen aus. Oft ist sie so dimensioniert, dass damit ausgerüstete Geräte ohne Umschaltung weltweit an allen Netzspannungen arbeiten können (Weitbereichseingang von typ. 100…240 V)

Meist wird eine Kombination aus aktiver PFC und passivem Filter eingesetzt: Durch die aktive PFC werden zusätzliche hochfrequente Störungen erzeugt. Diese müssen ihrerseits durch einen vorgeschalteten Netzfilter unterdrückt werden.

Eine Blindleistungskompensation, wie sie mit einem einfachen Kondensator parallel zu einem induktiven Verbraucher erzielt wird, bewirkt demgegenüber nur eine Phasenkorrektur der Stromaufnahme bezüglich der Grundschwingung. Das Ziel, den Wirkfaktor cos(φ) auf nahe Eins zu bringen, kann jedoch damit nur bei linearen induktiven Verbrauchern erreicht werden.

Bei nichtlinearen Verbrauchern ist die Angabe des auf die Grundschwingung bezogenen Wirkfaktors cos(φ) nicht sinnvoll, da hierbei die sogenannte Verzerrungsblindleistung über die Oberschwingungen verteilt ist. Beispiele solcher Verbraucher sind Schaltnetzteile, Netzteile mit Transformator, Gleichrichter und Lade-Kondensator, Lichtbogenöfen, Thyristorsteller und Dimmer sowie die Gleichspannungserzeugung für Frequenzumrichter.

Neben der Blindleistungskompensation durch die PFC, die zwischen das Netz und den Gleichstrom-Verbraucher geschaltet ist, gibt es auch die parallele Kompensation. So kann z. B. eine einphasige Brückenschaltung mit abschaltbaren Ventilen und kapazitiver Last über eine kleine Induktivität ans Netz geschaltet als hochdynamischer Kompensator benutzt werden.

Am 1. Januar 2001 trat eine EMV-Norm in Kraft, die Vorschriften über das zulässige niederfrequente Störspektrum (Oberwellen) für elektronische Verbraucher ab 75 Watt festlegt.

Siehe auch

• Oberschwingungsfilter

Weblinks

• Interaktives Leistungselektronik-Seminar
• Das neue InterNetzteil- und Konverter-Handbuch. Kapitel 12: Passive und aktive Netzfilter/Leistungsfaktorkorrektur
• Leistungsfaktorkorrektur mit Cuk-Konverter