Warum ist der Leistungsfaktor bei der Messung der Effizienz wichtig?

Grundlagen des Leistungsfaktors und der Effizienz

Ingenieure, die mit externen Netzteilen (EPS) arbeiten, sind mit Effizienzmessungen bestens vertraut. Da ihre Anwendungen jedoch typischerweise mit Gleichstromnetzteilen betrieben werden, können bei der Messung der Leistung auf der AC-Seite des Netzteils häufig Fehler gemacht werden. Zu diesen häufigen Fallstricken gehören die falsche Messung oder die vollständige Ignorierung des Leistungsfaktors bei der Berechnung der Eingangsleistung, was zu falschen Effizienzmessungen führt. Lassen Sie uns die Grundlagen des Leistungsfaktors und der Effizienz wiederholen und dann eine Anleitung geben, wie der Leistungsfaktor bei der Messung von AC-DC-Leistung berücksichtigt werden kann.

Leistungsfaktor und Effizienz, eine Wiederholung

Der Wirkungsgrad (η) ist das Verhältnis von Ausgangsleistung zu Eingangsleistung:

Gleichung 1: Wirkungsgrad

Im Kontext eines externen Netzteils (EPS), das mit Gleichstrom arbeitet, wird die Ausgangsleistung berechnet, indem einfach die Ausgangsspannung mit dem Ausgangsstrom multipliziert wird, wodurch der Zähler der Gleichung schnell bereitgestellt wird.

Berechnung der Ausgangsleistung

Die Berechnung der Ausgangsleistung eines EPS, die DC ist, ist einfach die Ausgangsspannung multipliziert mit dem Ausgangsstrom:

Gleichung 2: Ausgangsleistung

Gleichung 2 berechnet die Gleichstrom- (DC-)Ausgangsleistung (P_dc) eines elektrischen Netzteils (EPS), indem die Ausgangsspannung (V_dc) mit dem Ausgangsstrom (I_dc) multipliziert wird, was zu einer Leistung in Watt (W) führt.

Verständnis des Leistungsfaktors

Ein häufiger Fehler ist es, diese gleiche Berechnung auf die Eingangsleistung anzuwenden. Dies stellt ein Problem dar, da das Voltampere-Produkt in Wechselstromkreisen nicht immer der Wirkleistung entspricht, und tatsächlich wird das Voltampere-Produkt bei externen Adaptern niemals der Wirkleistung entsprechen. In Wechselstromkreisen entspricht das Voltampere-Produkt der Scheinleistung (S), die über einen Begriff namens Leistungsfaktor (PF) mit der Wirkleistung in Beziehung steht:

Gleichung 3: Scheinleistung

Gleichung 3 berechnet die Scheinleistung (S) in Voltampere (VA), indem die Effektivspannung (rms) (Vrms) mit dem Effektivstrom (Irms) multipliziert wird.

Definition des Leistungsfaktors

Per Definition ist der Leistungsfaktor das Verhältnis von Wirkleistung zu Scheinleistung, wobei die Scheinleistung das Produkt aus Effektivspannung und Effektivstrom ist. Nur wenn der Leistungsfaktor 1 entspricht, entspricht das Voltampere-Produkt der Wirkleistung:

Gleichung 4: Leistungsfaktor

Messung des Leistungsfaktors

Der beste Weg, den Leistungsfaktor zu messen, ist die Verwendung eines Leistungsmessgeräts wie in Abbildung 1 unten gezeigt. Diese Geräte geben die Wirkleistung direkt aus, so dass der Leistungsfaktor bei der Berechnung des Wirkungsgrads nicht berücksichtigt werden muss. Zusätzlich zur Wirkleistung können diese Messgeräte den Leistungsfaktor, THD, den Strom für jede Harmonische und mehr messen. Während externe Adapter mit geringer Leistung keinen definierten Leistungsfaktor oder harmonische Grenzwerte haben, haben Netzteile mit höherer Leistung spezifische regulatorische Grenzwerte für den harmonischen Gehalt und den Leistungsfaktor. Normen wie EN 61000-3-2 legen Grenzwerte für den Oberschwingungsstrom bis einschließlich der 39. Harmonischen für bestimmte Leistungsstufen fest. Bei der Messung des Oberschwingungsstroms eines Netzteils ist ein Leistungsmessgerät unerlässlich.

Abbildung 1: WT210 Leistungsmessgerät mit Messwerten, die den Wellenformen entsprechen

Leistungsfaktor in Netzteilen

Sie könnten denken, dass die Auswirkung der Auslassung des Leistungsfaktors nur einen geringen Fehler zur Folge hat und/oder dass der Leistungsfaktor eines externen Adapters nicht so schlecht sein kann. Tatsächlich könnte der Leistungsfaktor eines externen Adapters ohne Leistungsfaktorkorrektur leicht 0,5 bei Nennlast betragen. Ein Adapter mit einem Leistungsfaktor von 0,5 hat eine Scheinleistung, die doppelt so hoch ist wie die Wirkleistung, was zu falschen Ergebnissen führt. Selbst wenn das Netzteil einen realen Wirkungsgrad von 100 % hätte, würde diese Messung nur 50 % anzeigen.

Zusätzlich zur allgemeinen Berücksichtigung des Leistungsfaktors in Effizienzberechnungen ist es wichtig zu beachten, dass der Leistungsfaktor leitungs- und lastabhängig ist. Effizienzanforderungen, wie z. B. DoE Level VI, erfordern, dass der Wirkungsgrad an mehreren Punkten (25 %, 50 %, 75 % und 100 % Last) sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Netzspannungen gemessen wird. Wenn der Leistungsfaktor bei der Berechnung der Wirkleistung verwendet wird, muss er für jede dieser Bedingungen neu gemessen werden.

Leistungsmessgeräte für genaue Effizienztests

Jahrzehnte zunehmender Regulierung haben Effizienztests zu einem der wichtigsten Faktoren bei der Auswahl und Qualifizierung von Netzteilen gemacht. Mangelnde Erfahrung im Umgang mit Wechselstromkreisen kann dazu führen, dass Testingenieure den Leistungsfaktor weglassen oder falsch berechnen, was zu falschen Effizienzzahlen führt. Beim Testen externer Adapter oder beliebiger AC-DC-Netzteile ist die beste Methode zur Berechnung der Wirkleistungseingangsleistung die Verwendung eines Leistungsmessgeräts. Diese Geräte messen nicht nur die Wirkleistung direkt, sondern können auch den Strom messen, der mit den einzelnen Harmonischen verbunden ist, und liefern ein vollständiges Bild des Netzteileingangs.

Der Leistungsfaktor steht auf der Liste der Bedenken für Entwickler praktisch jedes Geräts, das erhebliche Leistung aus einer Netzsteckdose bezieht, sowie für Ingenieure in der Starkstromtechnik. Das Leistungsfaktorziel, basierend auf der Gesetzgebung, sowie Effizienz, Komponenten kosten und Volumen/Platinenfläche müssen berücksichtigt werden.

KSPOWER hat in der überwiegenden Mehrheit seiner AC-DC-Netzteile mit einer Nennleistung von 105 W und mehr eine aktive Leistungsfaktorkorrektur entwickelt, um die Implementierung zu erleichtern und die Einhaltung für OEMs sicherzustellen.