nichtlineare Last (Gleichrichter) und Leistungsfaktor

Ich habe gelesen, dass der Leistungsfaktor zeigt, wie viel Scheinleistung zwischen den Stromleitungen und der Last zirkuliert und nur die Übertragungsleitungen und Transformatoren in ihnen erwärmt. Sie sagen, dass dies darauf zurückzuführen ist, dass der Strom mit der Spannung außer Phase ist. Insbesondere fließt Strom aus der Last, wenn die Spannung positiv, der Strom jedoch negativ ist.

Ich sehe auch, dass der Diodengleichrichter nur in den kurzen Momenten der Spitzenspannung leitet, wenn die Eingangsspannung die Lastspannung überschreitet (Gleichrichter haben einen Ausgangskondensator = Lastspannung). Während dieser kurzen Bursts wird also die gesamte Energie verbraucht. Ich habe in einem Artikel gelesen, dass die Leute nichts verstehen und das ganze Problem nicht der Leistungsfaktor ist, sondern diese Bursts, die die Transformatoren in Stromleitungen überlasten (es ist nicht erlaubt, große Ströme in Transformatoren zu erzeugen, da die Gefahr eines Magnetisierungsverlusts besteht). Wenn Sie jedoch während eines winzigen Teils des Sinus die gesamte Energie verbrauchen, kommt es zu einem enormen Strom. Offensichtlich ist der Strom nicht proportional zur Spannung, wie es in der Referenzlast (Widerstandslast) mit dem Leistungsfaktor 1 sein sollte. Aber ich sehe hier keine negative Leistung! Der Gleichrichter schließt eine positive Eingangsspannung und einen negativen Strom aus. Der gesamte Strom ist unter positiver Spitzenspannung positiv. Wie erzeugt die nichtlineare Last die Scheinleistung?

Mit anderen Worten, Wikipedia sagt http://en.wikipedia.org/wiki/Switched-mode_power_supply#Power_factor

Einfache Offline-Schaltnetzteile enthalten einen einfachen Vollweggleichrichter, der an einen großen Energiespeicherkondensator angeschlossen ist. Solche SMPS ziehen in kurzen Impulsen Strom aus der Wechselstromleitung, wenn die momentane Netzspannung die Spannung über diesem Kondensator überschreitet. Während des verbleibenden Teils des Wechselstromzyklus liefert der Kondensator Energie an die Stromversorgung.

Infolgedessen weist der Eingangsstrom solcher grundlegenden Schaltnetzteile einen hohen Oberwellengehalt und einen relativ niedrigen Leistungsfaktor auf.

Wie schließen sie, dass der Oberwellengehalt den niedrigen Leistungsfaktor erzeugt? Woher kommt die Scheinkraft?

Ich verstehe, dass Strom Oberwellen (Frequenzkomponenten) hat, was bedeutet, dass er hin und her schwingt, während die Spannung von einer einzigen Polarität bleibt. Es kann sein, dass diese hochfrequenten Stromschwingungen die Scheinleistung erzeugen. Der Nettofluss ist jedoch immer noch positiv, der Strom fließt immer noch nur in eine Richtung, entsprechend der Spannungspolarität, und Schwingungen lassen ihn nicht in die entgegengesetzte Richtung fließen, um die Scheinleistung zu verursachen.

Der Punkt, den Sie anscheinend vermissen, ist, dass während eines Teils des Stromzyklus keine Stromübertragung vom Gerät zurück zur Stromleitung erforderlich ist, um einen Leistungsfaktor von weniger als eins zu haben.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, um zu sehen, was Leistungsfaktor wirklich ist, obwohl sie alle mathematisch gleich sind. Ein Weg ist das Verhältnis der an das Produkt gelieferten Wirkleistung zur Effektivspannung und zum Effektivstrom. Wenn der Strom ein Sinus ist (betrachten wir die Spannung in diesem Fall immer als Sinus, da die Stromleitung eine so niedrige Impedanz hat), haben Sie einen Leistungsfaktor von Eins, wenn sie mit der Spannung in Phase ist, und 0, wenn sie um 90 Grad abweicht Phase. Im Fall eines Sinus muss die Leistung während eines Teils des Zyklus zur Leitung zurückfließen, um einen Leistungsfaktor von weniger als eins zu haben.

Es sind jedoch viele andere Wellenformen möglich. Sie können einen Strom haben, der immer 0 oder positiv ist, wenn die Spannung positiv ist, oder 0 oder negativ, wenn die Spannung negativ ist, aber das ist kein Sinus. Die von Ihnen erwähnten Spitzen, die durch eine Vollwellenbrücke verursacht werden, sind ein gutes Beispiel. Der Strom fließt nie zurück zur Stromleitung, aber der Leistungsfaktor ist kleiner als 1. Machen Sie einige Beispiele und berechnen Sie den von einer Vollwellenbrücke aufgenommenen Effektivstrom. Sie werden sehen, dass die gesamte aus der Stromleitung entnommene Wirkleistung geringer ist als der Effektivstrom multipliziert mit der Netzspannung (wir gehen wiederum davon aus, dass die Netzspannung immer ein Sinus ist).

Eine andere Möglichkeit ist, dass die Verluste im Übertragungssystem proportional zum Quadrat des Stroms sind. Die Vollwellenbrücke zieht ihren Strom in kurzen Spitzen hoher Stärke. Aufgrund der quadratischen Natur der Verluste ist dies schlimmer als der gleiche durchschnittliche Strom, der stärker verteilt ist. Wenn Sie diese Mathematik ausarbeiten, erkennen Sie, dass der Weg, um das durchschnittliche Quadrat des Stroms zu minimieren, darin besteht, den Strom als Sinus in Phase mit der Spannung zu halten. Das ist die einzige Art und Weise der Einheit Macht fator zu erreichen.

Eine weitere Sichtweise, auf die Sie angespielt haben, besteht darin, an die Fourier-Erweiterung des Stroms zu denken. Wir gehen von einer aktuellen Wellenform aus, die jeden Stromleitungszyklus wiederholt, sodass eine Fourier-Reihe vorliegt. Jede solche sich wiederholende Wellenform kann als Summe einer Reihe von Sinuswellen bei der Netzfrequenz und positiven ganzzahligen Vielfachen davon ausgedrückt werden. Bei einer Leistung von 60 Hz ist die Wellenform beispielsweise eine Summe von Sinuswerten bei 60 Hz, 120 Hz, 180 Hz, 240 Hz usw. Die einzige Frage ist, wie die Amplitude und Phasenverschiebung jeder dieser Harmonischen sind. Es sollte offensichtlich sein, dass nur die Grundwelle (in diesem Beispiel die 60-Hz-Komponente) in der Lage ist, Nettoleistung aus der Stromleitung zu ziehen, und dies nur in dem Maße, in dem sie mit der Spannung in Phase ist. Da alle Komponenten Sinus sind, Jeder zieht während eines Teils des Zyklus Strom und gibt an einem anderen Teil des Zyklus dieselbe Leistung zurück, mit Ausnahme der gleichphasigen Komponente der Grundwelle. Ihre Sichtweise des Leistungsfaktors als Zurücksetzen der Leistung während eines Teils des Zyklus ist also gültig, wenn Sie die aktuelle Wellenform in Sinuswellenkomponenten aufteilen. Es ist jedoch möglich, einen Satz von Sinuswellenkomponenten zu haben, die zu unterschiedlichen Zeiten Strom an die Stromleitung aufnehmen und zurückgeben, so dass das Netz aller Komponenten zu einem Zeitpunkt Null oder positiv ist. Der Vollwellenbrückenstrom ist ein Beispiel für eine solche Wellenform. Es ist möglich, einen Satz von Sinuswellenkomponenten zu haben, die zu unterschiedlichen Zeiten Strom an die Stromleitung aufnehmen und zurückgeben, so dass das Netz aller Komponenten gleichzeitig Null oder positiv ist. Der Vollwellenbrückenstrom ist ein Beispiel für eine solche Wellenform. Es ist möglich, einen Satz von Sinuswellenkomponenten zu haben, die zu unterschiedlichen Zeiten Strom an die Stromleitung aufnehmen und zurückgeben, so dass das Netz aller Komponenten gleichzeitig Null oder positiv ist. Der Vollwellenbrückenstrom ist ein Beispiel für eine solche Wellenform.