Wie (und warum) der Leistungsfaktor für medizinische Geräte bestimmt wird

Warum verwenden wir Wechselstrom (AC)? Warum verteilen Energieversorger nicht einfach?

Gleichstrom (DC), da das erste, was wir normalerweise mit modernen Geräten tun, ist

Wechselstrom in Gleichstrom umwandeln? Die Antwort auf diese Fragen geht auf die Bemühungen von Thomas Edison zurück

Werbung für seine Glühlampe und elektrisieren New York.

Edisons Generatoren erzeugten Gleichstrom, der für die lokale Verteilung gut funktionierte, aber erforderlich war

entweder sehr große Kabel zur Versorgung von Verbrauchern, die mehr als ein paar Blocks entfernt liegen, oder ein Kraftwerk an jedem Ort

ein paar Blocks. Dies liegt daran, dass bei für den Endgebrauch praktischen Spannungen große Ströme erforderlich waren

elektrifizieren Sie mehr als nur einen kleinen Bereich. Betreten Sie Nikola Tesla, unterstützt von George Westinghouse, der

förderte Hochspannungs-Wechselstromübertragungsleitungen mit einem Niederspannungs-Umspannwerk alle paar Blocks für

lokale Verbreitung. Der wichtige Unterschied bestand darin, dass das Umspannwerk nur einen Transformator benötigte.

während die Gleichstromlösung ein komplettes dampfbetriebenes Kraftwerk erforderte.

Letztendlich beendete Westinghouse den Krieg, der darauf folgte, indem er ein Wasserkraftwerk baute

Niagrafälle, die hunderte Kilometer entfernt Lasten liefern konnten. Allerdings in den wenigen

Bei extrem langen Punkt-zu-Punkt-Übertragungsleitungen kippt das Gleichgewicht wieder in Richtung sehr hoher Spannung

Gleichstromübertragungsleitungen (z. B. die Stromleitung vom Grand Coulee Dam im Bundesstaat Washington nach Los

Angeles).

Wechselstrom ermöglichte viele weitere Erfindungen, die für die Industrialisierung von entscheidender Bedeutung waren, vom Induktionsmotor bis hin zu

Vorschaltgeräte für Gasentladungslampen bis hin zu Lichtdimmern und Elektrorasierern. Aber ein Teil der dunklen Seite von AC

Leistung ist dieser Begriff des Leistungsfaktors. Die Spannung bei Gleichstrom ist konstant, es gibt also keine Phase

mit ihr verbundenen; Wechselstrom ist (idealerweise) sinusförmig, wobei Spannung und Strom 0 V überschreiten

120 Mal pro Sekunde (zweimal pro 60-Hz-Zyklus). Wenn die Last (oder sogar die Stromleitung) leicht ist

Ob induktiv oder kapazitiv, der Strom eilt der Spannung entweder nach oder eilt ihm voraus.

Abbildung 1 zeigt ein LTspice-Modell einer 120 VAC, 60 Hz, Wechselspannungsquelle, die einen Induktor antreibt, a

Widerstand und einen Kondensator parallel. Abbildung 2 zeigt die Ausgabe dieser Simulation mit dem

Spannung der Quelle V(n001), der Induktorstrom I(L1), der Widerstandsstrom I(R1) und die

Kondensatorstrom I(C1). Beachten Sie, dass nur der Widerstandsstrom in Phase mit der Spannung ist

Der Induktorstrom „hinkt“ der Spannung um 90 Grad hinterher, während der Kondensatorstrom „voreilt“.

die Spannung um 90 Grad.

Wie (und warum) man den Leistungsfaktor bestimmt

Der Leistungsfaktor wird klassischerweise als Kosinus des Winkels zwischen dem quadratischen Mittelwert definiert

(RMS) Wechselspannung – definiert als die Menge an Wechselstrom, die den gleichen Heizeffekt erzeugt

als Gleichstrom – und der RMS-Wechselstrom.

Um die von einer Gleichstromlast verbrauchte Leistung zu berechnen, ist es einfach

Multiplizieren Sie die Spannung an der Last mit dem Strom durch sie.

Um die von einer Wechselstromlast verbrauchte Leistung zu berechnen ,

Das Produkt aus Effektivspannung und Strom muss mit dem Leistungsfaktor multipliziert werden.

Wenn Spannung und Strom in Phase sind (0 Grad Phasenfehler), ist der Kosinus von 0 1 und daher

die gleiche Berechnung wie DC. Dies geschieht, wenn die Last widerstandsmäßig wirkt. Wenn die Phase

Der Fehler beträgt 60 Grad, der Kosinus von 60 beträgt 0,5; nur die Hälfte des Produkts aus Spannung und Strom beträgt

zur Ladung geliefert. Wohin geht die andere Hälfte? Dieser Strom zirkuliert immer noch durch die

Stromleitungen; Es liefert einfach keine nutzbare Leistung an die Last.

Wenn man die Wellenform der „Scheinleistung“ (Voltampere oder VA genannt) in ihre gleichphasigen und phasenverschobenen Teile – manchmal auch als „reale“ und „imaginäre“ Teile bezeichnet – zerlegt,

bzw. – der Inphase-Anteil (der Kosinuskoeffizient) wird als Leistung bezeichnet (gemessen in Watt),

während der phasenverschobene Teil (der Sinuskoeffizient) als Blindleistung (gemessene Volt-Ampere-Reaktivität oder VAR) bezeichnet wird. Daher kann der Leistungsfaktor auch als die tatsächliche Leistung dividiert durch VA (PF = W/VA) definiert werden. Der Wattmesser an Ihrem Schaltschrank misst nur die tatsächliche Leistung, sodass den Kunden nur die tatsächliche Leistung in Rechnung gestellt wird. Der Energieversorger muss seine Geräte jedoch trotzdem so dimensionieren, dass sie den Gesamtstrom verarbeiten können

fließt, daher ist es bestrebt, den gesamten Strom „abrechnungsfähig“ zu machen.

Wie dies auf medizinische Geräte zutrifft

Aber warum ist das alles wichtig, insbesondere wenn es Ihnen nicht in Rechnung gestellt wird? Erstens das Dienstprogramm

Letztendlich stellt es seinen Kunden alle Kosten in Rechnung, sodass die Kosten für die Leistungsfaktorkorrektur weitergegeben werden

an Verbraucher. Zweitens verlangen immer mehr behördliche Spezifikationen – wie EN60601, EN61000 und IEC555 – eine Leistungsfaktorkorrektur für medizinische Geräte (manchmal auch als „Leistungsfaktorkorrektur“ bezeichnet).

Powerline-Oberschwingungskontrolle). Hersteller von Medizinprodukten sind zu unterschiedlichen Angeboten verpflichtet

Grad der Leistungsfaktorkorrektur in ihren Produkten, abhängig von der Ausgangsleistung und

Anwendung. Wenn Sie denken: „Mein Produkt enthält keine großen Mengen, geschweige denn.“

„Bei induktiven oder kapazitiven Typen“ gibt es eine Feinheit, die ihr hässliches Haupt zeigt: Dieses kleine Umschalten

Netzteil, das Sie in Ihr Produkt einbauen, um die Effizienz/Breite zu erreichen

Die Anforderungen an Eingang/Größe/Gewicht/Verpackung führen zu einer ganz eigenen Variante des Leistungsfaktors

Korruption.

Denken Sie daran, dass ein Leistungsfaktor von eins auftritt, wenn die Last ohmsch erscheint. Ein Schaltmodus

Ein Netzteil (SMPS) richtet normalerweise die Stromleitung gleich und lädt dann einen großen Kondensator auf

Speichern Sie Energie, während die Spannungssinuswelle auf 0 V abfällt, bis sie sich erholt. Wenn dieser Kondensator

Wenn es groß genug ist, speichert es genug Energie, sodass die Stromleitung ausfallen oder ausfallen kann

mehrere Zyklen, wie sie beispielsweise auftreten, wenn eine große Last an die Leitung angeschlossen ist (z. B. Starten von Klimaanlagenkompressoren oder Ein- und Ausschalten der Laserdruckerheizungen). Aus der Sicht eines Netzteildesigners

Je größer der Eingangskondensator, desto besser. Wenn der Kondensator groß genug ist, entlädt er sich stark

Während eines Zyklus der Stromleitung beträgt die Stromleitungsspannung nur wenig, und im eingeschwungenen Zustand ist die Stromleitungsspannung nur gering

größer als die Kondensatorspannung an der positiven und negativen Spitze der Wellenform.

Daher fließt Strom nur während der Spitzen der Netzspannungswellenform.

Es ist perfekt in Phase, also sollte der Leistungsfaktor 1 sein, oder? Nun, denken Sie daran, dass die Ladung

sollte widerständig erscheinen. Abbildung 3 Abbildung 4 zeigt die Wechselstromwellenform einer ohmschen Last und

die eines Schaltnetzteils bei äquivalenten Leistungsstufen. Beachten Sie, dass der Widerstand erzeugt

die erwartete gleichphasige Sinuswellenform, während das Umschalter-Frontend einen Impuls erzeugt

von Strom zweimal pro Zyklus. Ein Impuls ist die Überlagerung mehrerer Sinuswellen, da dieser Impuls

Wenn der Puls in regelmäßigen Abständen auftritt, müssen alle Sinuswellen, aus denen der Puls besteht, harmonisch sein

verwandt. In diesem Fall ist 60 Hz die Grundschwingung und die anderen Sinuswellen sind Harmonische von 60 Hz.

Die Topologie des Frontends eines einfachen Offline-Schaltnetzteils ist auf der Abbildung dargestellt

rechte Seite von Abbildung 3. Die Wechselspannungsquelle (Vswitcher) wird durch die vier Dioden gleichgerichtet

lädt einen Kondensator (C1) auf. Normalerweise würde das Schaltnetzteil mit der Energie betrieben

auf dem Kondensator gespeichert (die von R1 verbrauchte Leistung simuliert eine Belastung der Versorgung). Für

Zum Vergleich zeigt die linke Hälfte von Abbildung 3 die Wellenform nur mit einer ohmschen Last (R2). Figur 4

veranschaulicht die Wellenformen dieser Schaltkreise. Wie erwartet sind Spannung und Strom gleichphasig

für die im oberen Bereich angezeigte Widerstandslast. Nahe dem Nullpunkt wird es eine kleine Diskontinuität geben

Aufgrund der Durchlassspannung der Diode kann es zu einem Überkreuzen kommen, was hier aufgrund der Skala jedoch nicht sichtbar ist.

Die angelegte Spannung ist für das Schalter-Frontend dieselbe, der resultierende Strom wird jedoch in angezeigt

der mittlere Bereich. Beachten Sie die Skala des Stroms (auf der rechten Seite des oberen Bereichs angezeigt).

im mittleren Bereich etwa 20-mal größer (800-mA-Spitze gegenüber 40-mA-Spitze). Der untere Bereich

zeigt, dass beide Stromkreise die gleiche Leistung verbrauchen, gemessen an der Spannung am Widerstand

multipliziert mit dem Strom durch ihn. R1 ist größer als R2, da R1 bei arbeitet

ca. 169 VAC, während R2 mit 120 V RMS betrieben wird, die Verlustleistung in beiden jedoch gleich ist

das gleiche. Diese Abbildung stellt so etwas wie den Worst-Case dar, zeigt aber, wie viel höher der Peak ist

Die Ströme können bei einem Schalteingang größer sein als bei einer ohmschen Last, die mit der gleichen Leistung betrieben wird

Ebene.

Harmonische Erzeugung und dreiphasige Stromerzeugung

Aus der Wellenform des Eingangsstroms des Umschalters in Stromleitungen ergeben sich zwei Konsequenzen: a

Es sind zahlreiche Schaltnetzteile verbaut. Erstens sinkt die Spannung ab, da an der Spitze der Leitung ein großer Stromimpuls erforderlich ist, anstatt diesen über den gesamten Zyklus zu verteilen

aufgrund von Widerstandsabfall in Leitern und Sättigung in Transformatoren oder unterbrechungsfreier Stromversorgung

Lieferungen. Dies verzerrt die Spannungswellenform und erzeugt weitere Oberwellen im Stromnetz. Sogar

Obwohl der Stromimpuls zeitlich auf die Spitze der Spannungswellenform abgestimmt ist, handelt es sich lediglich um die Grundschwingung

die Frequenz ist wirklich in Phase mit der Spannung; Die harmonischen Ströme fließen hinein und heraus

Kondensator, während die Diode eingeschaltet ist, aber keine nennenswerte Ladung darin speichert. Das RMS-Amperemeter

misst den gesamten harmonischen Strom, aber die tatsächliche Leistung ist nur die im Kondensator gespeicherte Energie

jeden Zyklus. Daher wird das Produkt aus Effektivstrom und Spannung angezeigt

Scheinleistung größer als die Wirkleistung.

In der gesamten IEC 60601 finden sich Absätze, in denen medizinische Geräte neu klassifiziert werden

andernfalls die Anforderungen des International Special Committee on Radio Interference (CISPR) erfüllen,

mit Ausnahme ihrer Verzerrung der dritten Harmonischen der Stromleitung. Dies gilt insbesondere für

Geräte mit Lasten von mehr als 75 W und weniger als 16 A pro Phase. Dritte harmonische Verzerrung

können durch beliebige Nichtlinearitäten in der Last erzeugt werden, sind jedoch am häufigsten auf geschaltete Lasten zurückzuführen

Frontends für die Stromversorgung im SMPS-Modus (SMPS).

Abbildung 5 ist eine Spektralanalyse (durchgeführt durch FFT) des Stroms im mittleren Bereich von Abbildung 4

(der simulierte Eingangsstrom zu einem SMPS). Die Amplitude wird auf der Y-Achse und die Frequenz angezeigt

auf der x-Achse dargestellt (beide Achsen sind im logarithmischen Maßstab aufgetragen). Ein rein sinusförmiger Eingang

Der Strom hätte eine einzelne Spitze bei 60 Hz, aber die verzerrte Wellenform in Abbildung 4 zeigt dies

Grundfrequenz bei 60 Hz, plus eine fast ebenso große Spitze bei 180 Hz (dritte Harmonische von 60),

begleitet von einer Fülle höherer Harmonischer.

Um den Effekt nur der dritten Harmonischen zu sehen, auf die 60601 abzielt, zeigt Abbildung 6 die

Überlagerung eines 60-Hz-Stroms [grüne Kurve mit der Bezeichnung I(60Hz)“ mit seiner dritten

Harmonische I(180Hz). Die resultierende Wellenform I(Last) zeigt, was dem ähnelt

Eingangsstrom eines SMPS. Beachten Sie, dass der Strom bei beiden unverhältnismäßig niedrig ist

Seite des Nulldurchgangs und erreicht dann mit der Spannung Spitzenwerte. das Merkmal

Die Wellenform des SMPS-Eingangsstroms wird speziell durch 60601 behandelt.

Über diese harmonische Erzeugung hinaus gibt es eine zweite Konsequenz (des Schaltereingangsstroms).

Wellenform in Stromleitungen, in denen eine große Anzahl von Schaltnetzteilen installiert ist)

ist das Phänomen der dreiphasigen Stromerzeugung. Dies ist am einfachsten zu verstehen

in „WYE“ (Y)-Konfiguration, bei der drei Phasen im Abstand von 120 Grad alle einen gemeinsamen Stromkreis haben

gemeinsamen Neutralleiter, wie in Abbildung 7 dargestellt.

Stellen Sie sich eine ohmsche Last vor, die von jeder Phase A, B und C an den Neutralleiter angeschlossen ist.

Ohne auf die Mathematik einzugehen, stellen Sie sich vor, dass Phase A ihren Höhepunkt erreicht hat

Bei einer Exkursion wird Phase B um 120 Grad und Phase C um 240 Grad verzögert

Grad (was dem Voreilen von Phase A um 120 Grad entspricht). Der Strom fließt

in den Widerstand R1 ist genau gleich der Summe des aus R2 und R3 fließenden Stroms.

Der untere Bereich von Abbildung 7 zeigt die drei Ströme, die in jedem der drei fließen

Phasenwiderstände. Der Strom in diesem Neutralleiter ist Null, solange die Last perfekt ausgeglichen ist. Der Neutralstrom I (Neutral) wird im zweiten Bereich von unten bei ungefähr 0 angezeigt.

Dies gilt für jeden gewählten Phasenwinkel: Der Strom in allen drei Phasen gleicht sich aus.

Tatsächlich ist der Neutralleiter nur dazu da, geringfügige Ungleichgewichte zwischen den zu beseitigen

Phasen, und es handelt sich normalerweise um einen Draht mit der gleichen Stärke wie jeder Phasendraht. Jetzt ersetzen

Sinusförmiger Antrieb in den drei Phasen mit einem Dreiecksimpuls, ähnlich dem Schalten

oben untersuchtes Netzteil. Die Überlagerung der drei dreieckigen Phasenwellenformen

wird im zweiten Bereich von oben in Abbildung 8 gezeigt. Wenn sich Phase A nun am befindet

Höhepunkt seiner positiven Auslenkung und es erzeugt diese große Stromspitze, die anderen beiden

Die Phasen führen keinen Strom und der Neutralleiter muss den gesamten Rückstrom führen

aktuell. Da der Neutralleiter die gleiche Größe wie der Phasendraht hat, wo liegt das Problem?

Nun, drehen Sie die Phase um 120 Grad und Phase B erreicht ihren Höhepunkt und liefert dasselbe

Strom, den der Neutralleiter führen muss, drehen Sie dann die Phase, bis Phase C trifft

sein Höhepunkt. In einem Zyklus der Stromleitung musste der Neutralleiter das Dreifache tragen

Strom der einzelnen Phasendrähte. Dies ist der Strom, der oben als I(Neutrl) angezeigt wird

Feld. Selbst im besten Szenario wird der Neutralleiter sehr heiß und das

Die Spannung bricht deutlich stärker ein als erwartet.

Steuern des Leistungsfaktors in Ihrem Gerät

OK, die Kontrolle des Leistungsfaktors könnte also ein Grund zur Sorge sein; was kann

getan werden, um das Problem zu beheben? Die gute Nachricht ist, dass Halbleiterunternehmen hart arbeiten

um Ihnen eine Lösung zu verkaufen. Wenn Ihr Design Ihren Anforderungen nahe kommt, ohne

Wenn Sie eine Leistungsfaktorkorrektur durchführen, überprüfen Sie das Design noch einmal und schauen Sie sich den Eingangsspannungsbereich an

Der Schalt-IC arbeitet bis zur unteren Eingangsgrenze (oder wählt eine neue).

Reduzieren Sie die Größe dieses Eingangskondensators, um den Eingangsleitungswinkel zu vergrößern

Verteilen Sie diese Stromspitze über die Zeit (eher wie ein Widerstand). Natürlich wird dies der Fall sein

Machen Sie Ihre Versorgung anfälliger für Ausfälle und Verbräuche. Vergrößerung

Die Anzahl der Ausgangskondensatoren wird etwas helfen, aber das nimmt ziemlich viel Platz ein

und kann andere Probleme mit sich bringen. Passive 60-Hz-Bandpassfilter für die Stromleitung

sind ebenfalls verfügbar, benötigen aber meist auch viel Platz.

Alternativ können Sie Ihrem Design einen Leistungsfaktorkorrektor (PFC) hinzufügen. Manche

Schaltregler verfügen über eine Leistungsfaktorkorrektur, aber eine unabhängige Front

Enden sind am häufigsten. Das am einfachsten zu verstehende unabhängige Frontend ist a

„Constant-On-Time“ (COT)-Aufwärtswandler. Es wird zwischen der Stromleitung und eingefügt

Dieser Eingangskondensator, der alle oben genannten Probleme verursacht hat. Dieses PFC hat praktisch

keine Eingangskapazität (außer den X- und Y-Kondensatoren im Filter) und, da die

Wie der Name schon sagt, nutzt es eine konstante On-Time-Boost-Topologie, um den Eingangsenergiespeicherkondensator auf eine Spannung aufzuladen, die größer ist als der höchste Spitzenwert der Stromleitung, für die das Gerät ausgelegt ist.

Wenn die Hochspannungsleitung beispielsweise 120 VAC + 10 Prozent betrug (120 x √2 x 1,10 = 187 V),

Als Boostspannung können 200 V gewählt werden. Der Boost-Controller würde das einschalten

Boost-Induktor für einen Zeitraum, der kurz genug ist, um zu verhindern, dass er an der Stelle in die Sättigung geht

Spitze der Linie. Ein „schneller“ Regelkreis steuert das Schalten des Induktors, sodass jeder

Der Schaltzyklus ist für den gleichen Zeitraum „ein“. Da der Induktorstrom gleich LVt (L =

Induktivität, V = Spannung und t = Zeit) – wobei L und t festgehalten werden – Induktivität (I)

Der Strom und damit der Netzstrom sind proportional zu V. Da ich es bin

proportional zu V, der Eingang sieht ohmsch aus.

Bei einer festen Leistungsstufe funktioniert dies möglicherweise akzeptabel, wenn die Last jedoch schwankt, kann dies der Fall sein

Die Ausgangsspannung kann stark variieren. Um dieses Problem zu lösen, verfügt der Boost-Controller tatsächlich über zwei

Schleifen: Die oben beschriebene schnelle Schleife und die langsame Schleife, die die Einschaltzeit anpasst

um die Kondensatorspannung zu steuern, allerdings langsam, über mehrere Netzzyklen hinweg,

um dieses widerspenstige Erscheinungsbild beizubehalten. Die Kondensatorspannung ist nur lose geregelt,

Das bedeutet, dass der Kondensator so dimensioniert und bemessen sein muss, dass er ihn aufnehmen kann

Variation. Aber weil die Boost-Schaltung den Eingang zum Kondensator erscheinen lässt

Widerstandsfähig kann der Kondensator nun relativ groß sein. Denn diese Topologie ist ein Boost

Wandler, wenn die Ausgangsspannung (Energiespeicherkondensator) jemals kleiner als die Eingangsspannung ist

Spannung fließt Strom vom Eingang zum Ausgang, um den Kondensator aufzuladen. In diesem Fall,

Das Netzteil würde weiterhin einwandfrei funktionieren, aber der Leistungsfaktor

Die Korrektur wäre vereitelt.

Dargestellt ist eine übertriebene Stromwellenform für einen Aufwärtswandler mit konstanter Einschaltzeit

in Abbildung 9. Die AC-Versorgungsspannung wird als V(VAC) angezeigt, der ungefilterte Versorgungsstrom

wird als I(Ac) und die Spannung am Ausgangskondensator als Vout angezeigt. Beachten

dass der Durchschnitt der Stromwellenform in den Hochsetzsteller annähert

sinusförmig und ist in Phase mit der Spannung. Die hier gezeigte Schaltgeschwindigkeit ist sehr

langsam, um die einzelnen Impulse besser sichtbar zu machen. Eine Beschleunigung des Umschaltens würde es ermöglichen

Vereinfachen Sie die Filterung des Schaltrauschens und den Betrieb im Dauerbetrieb

Der Modus würde die Amplitude der einzelnen Schaltzyklen weiter reduzieren.

Ein weiterer Vorteil der Boost-Topologie besteht darin, dass die eigentliche Schaltversorgung –

hinter dem Leistungsfaktor-Korrektur-Frontend – arbeitet jetzt von einer relativ festen Position aus

Stromspannung. Wenn die Boost-Stufe einen großen Eingangsbereich abdecken kann, ist die Anforderung für

Der Rest des Angebots zur Deckung dieses Inputs wird gemindert.

Es gibt andere Topologien, jede mit ihren eigenen Vor- und Nachteilen.

Einige Stromversorgungsmodule sind jetzt mit Leistungsfaktorkorrektur erhältlich

eingebaut; Sie benötigen lediglich einen Eingangskondensator, einen Boost-Kondensator und einen Ausgang

Kondensator. Welche Lösung auch immer gewählt wird, die Simulation des Entwurfs ist von großer Bedeutung

empfohlen, da es einen besseren Einblick in die Reaktion der Schaltung bietet

zu den Eckfällen. Tina von TI, der Online-Simulator von Intersil, und Linear Technologies

LTspice gehört zu den für die Simulation verfügbaren Optionen. Mit vielen Lösungen

Mit der verfügbaren Technologie ist die Leistungsfaktorkorrektur nicht mehr so eine entmutigende Aufgabe wie früher.

Das Hauptbild für diesen Artikel wurde vomAI Image Generator von HackerNoon über die Eingabeaufforderung „Thomas Edison schaut in die Glühbirne“ generiert.