PFC und Oberwellenfilter für Einphasenumrichter

PFC und Oberwellenfilter für Einphasenumrichter

Louis Rast

Problemstellung
Ein Gerät, das ans Stromnetz angeschlossen wird, bezieht davon nicht nur Leistung, sondern kann auch ungewünschte Störungen im Netz erzeugen. Diese Netzrückwirkungen sollten möglichst gering sein. Sie belasten das Netz unnötig und können andere Geräte stören. Mit einer sogenannten Power Factor Correction (PFC) können diese Störungen verringert werden. Für einen bestehenden Einphasenumrichter ist ein Prototyp eines PFC-Vorschaltmoduls zu entwickeln. Es soll die Netzrückwirkung, vor allem die Total Harmonic Distortion (THD), minimieren und innerhalb der gesetzlichen Limiten halten. Durch eine umfassende Recherche soll das Wissen zum Thema in der Firma erweitert werden. Das Modul soll einen Weitbereichsspannungseingang von 85—265 VAC unterstützen. Die Nennleistung liegt bei 150 W bei einer Ausgangsspannung von 650 VDC.

Lösungskonzept
Aus der gleichgerichteten Eingangsspannung wird mit einem Boost-Konverter die Ausgangsspannung von 650 VDC erzeugt. Der Eingangsstrom des Boost-Konverters wird durch eine integrierte Schaltung so geregelt, dass er stets sinusförmig und in Phase mit der Eingangsspannung ist. Zusätzlich sind Ein– und Ausgangsnetzfilter, ein Tiefpassfilter zur Filterung der Schaltvorgänge und eine Einschaltstrombegrenzung vorhanden. Eine Eingangsschutzbeschaltung schützt vor Überspannungen und transienten Störungen.

Realisierung
Die Prototypenschaltung ist auf einer vierlagigen Leiterplatte realisiert. Niederspannung und Kleinspannung sind strikt voneinander getrennt. Die Speicherspule des Boost-Konverters ist speziell für die hohe Ausgangsspannung dimensioniert und gewickelt. Die Schaltung ist in einem Testaufbau mit Schutzhaube montiert, um gefahrlos Messungen durchzuführen.

Ergebnisse
Mit dem Testaufbau kann der Prototyp vor bestehende Maschinen geschaltet und getestet werden. Er erfüllt die Anforderungen, zeigt aber auch die Grenzen des ausgewählten Konzepts auf. In ersten Messungen wird im Nennbetrieb eine THD von weniger als 10% und eine Effizienz von grösser 90% erreicht. In einem Funktionstest zusammen mit Maschinen von Komax konnte die Funktionalität unter Realbedingungen bewiesen werden. Durch die Tests sind jene Punkte bekannt, welche bei der Weiterentwicklung zu beachten sind. Im Rahmen dieser Arbeit wurde für die Firma wertvolles Wissen erarbeitet, welches es in Zukunft ermöglicht, solche PFC-Schaltungen in Neuentwicklungen zu integrieren.

Studienbetreuer Rolf Mettler
Preisstifter Komax AG

Eingangsspannung (blau) und Eingangsstrom (rot) ohne aktiver PFC. Es resultieren hohe Spitzenströme.
Eingangsspannung (blau) und Eingangsstrom (rot) mit aktiver PFC. Der Eingangsstrom ist gleichmässiger und sinusförmiger.
Das im Rahmen Der BAT entwickelte Prototypenboard.

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