Eingangswechselstrom einer Netzstromversorgung - wie ist definiert

Der Leistungsfaktor ist das Verhältnis der Wirkleistung dividiert durch das Produkt aus Effektivspannung und Effektivstrom.

Denken Sie darüber nach, was das sagt. Beachten Sie, dass die tatsächliche Leistung NICHT nur die Spannung multipliziert mit dem Strom ist, die jeweils separat gemessen werden. Angenommen, Sie haben ein Gerät und möchten wissen, wie viel Strom es verbraucht. Sie legen ein Voltmeter an seinen Eingang und erhalten 115 V Wechselstrom. Dann schalten Sie auf eine Stromskala um, schalten das Messgerät in Reihe und messen 300 mA Wechselstrom. Auf den ersten Blick könnte man denken, dass die Leistung (115 V)(300 mA) = 34,5 W beträgt, aber es stellt sich heraus, dass dies nur die Obergrenze ist. Die wirkliche Leistung kann alles bis hinunter zu 0 sein.

Wie kann das sein? Stellen Sie sich vor, das Gerät wäre ein Kondensator. In diesem Fall sind Spannung und Strom um 90° phasenverschoben. Während der Hälfte des Zyklus ist das Produkt aus Momentanspannung und Momentanstrom positiv, und es wird Wirkleistung in das Gerät übertragen. Während des nächsten Halbzyklus ist dieses Produkt jedoch negativ, und die gleiche Leistung wird wieder zurück übertragen. Über einen ganzen Zyklus hinweg mittelt sich die Nettoleistung auf 0.

Ist das Gerät dagegen ein Widerstand, sind Spannung und Strom immer proportional zueinander. Im Fall eines Widerstands erhält er tatsächlich 34,5 W von der Wechselstromleitung und wird entsprechend heiß.

Nur bei reinen Sinuswellen können Sie anhand des Phasenwinkels zwischen Spannung und Strom eine Vorstellung davon bekommen, welcher Bruchteil der maximal möglichen Leistung tatsächlich übertragen wird. Viele reale Geräte kooperieren jedoch nicht und ziehen Strom in schönen Sinuswellen. Wir brauchen eine allgemeinere Methode, um diesen "Bruchteil der maximalen Leistung, die Sie tatsächlich erhalten", zu messen.

Der allgemeine Weg ist, genau das zu tun. Die maximale Leistung, die Sie erhalten können, ist die RMS-Spannung mal dem RMS-Strom. Wir normalisieren uns darauf und nennen es 1,0. Die tatsächliche Leistung wird daher auf dieser normalisierten Skala zwischen 0 und 1,0 liegen. Genau das ist der Leistungsfaktor.

Wie misst man also echte Leistung? Leistung ist Spannung mal Strom, aber Sie können die Spannung und den Strom nicht vor dem Produkt mitteln. Um die tatsächliche Leistung zu erhalten, müssen Sie die momentane Spannung und den momentanen Strom multiplizieren und dann mitteln.

Genau das machen echte Leistungsmesser. Die alten mechanischen Stromzähler mit der rotierenden Scheibe an der Hausecke funktionieren nach dem Prinzip, dass die magnetische Kraft zwischen zwei Elektromagneten das Produkt des jeweils durchfließenden Stroms ist. Das funktioniert tatsächlich in allen vier Quadranten. Wenn die beiden Ströme die gleiche Polarität haben, ziehen sich die Elektromagnete an. Wenn die Polarität von einem umgedreht wird, stoßen sie sich ab.

Die Fähigkeit von Elektromagneten, eine Vier-Quadranten-Multiplikation durchzuführen, wird genutzt, indem einer mit der Spannung, der andere mit dem Strom betrieben und dann zur Implementierung eines Motors verwendet wird. Die Kraft, die den Motor antreibt, ist in jedem Fall der Strom mal die Spannung. Dies wird durch die Mechanik des Motors ausgemittelt. Es wird effektiv integriert, indem die Gesamtzahl der Umdrehungen des Motors verfolgt wird, nicht nur die momentane Geschwindigkeit. Die verschiedenen Zifferblätter auf dem Stromzähler sind nur der Motor, der jeweils um den Faktor 10 gegenüber dem vorherigen untersetzt ist. Die Ziffern, auf die jedes Zifferblatt zeigt, zeigen dann die Gesamtumdrehungen des Motors an, was die Gesamtenergie ist, die das Messgerät durchlaufen hat. Durch Subtrahieren des aktuellen Messwerts vom Messwert des letzten Monats weiß der Energieversorger, wie viel Energie Sie in diesem Monat verbraucht haben und wie viel er Ihnen in Rechnung stellen muss.

Moderne Stromzähler verwenden Mikrocontroller, die die momentane Spannung und den aktuellen Strom viele Male während eines Stromleitungszyklus ablesen. Jedes Messwertpaar wird multipliziert, um die Momentanleistung zu erhalten, und dann akkumuliert, um die Gesamtenergie zu erhalten. Um sich nicht von sehr spitzen Strömen täuschen zu lassen, müssen Sie mindestens die ersten 100 Harmonischen ziemlich gut messen. Das bedeutet, dass Sie bei 60-Hz-Leistung mindestens 6-kHz-Komponenten auflösen möchten. Glücklicherweise können moderne Mikrocontroller das ziemlich leicht übertreffen.

Sie gehen davon aus, dass der Leistungsfaktor vollständig durch Cos ($\phi$) Wo$\phi$ist die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung. Das ist nicht das große Ganze. Der Leistungsfaktor (in der realen Welt) wird definiert durch: -

In der Elektrotechnik ist der Leistungsfaktor eines Wechselstromnetzes definiert als das Verhältnis der zum Verbraucher fließenden Wirkleistung zur Scheinleistung im Stromkreis

Wiki entnommen . Mit anderen Worten, wenn wir es mit perfekten Induktivitäten, Kondensatoren und Widerständen zu tun haben, gilt PF = Cos($\phi$), aber wenn wir es mit echten Lasten zu tun haben, ist es nicht gleich Cos($\phi$).

Die Phasenverschiebung ist eine weitere Ursache für einen niedrigen Leistungsfaktor, nicht die einzige Ursache.

Die schlechten Leistungsfaktoren, die Sie sehen, werden hauptsächlich durch die Stromspitzen verursacht, die den Kondensator aufladen. Der Kondensator führt eine kleine Phasenverschiebung ein, aber das ist nicht für eine große Reduzierung des Leistungsfaktors verantwortlich.

Spikes haben einen großen Einfluss, zum Beispiel:

1 A Strom bei gepulst bei 10 % Einschaltdauer (Rechteckwelle)

mittlerer Strom ist 100mA

RMS-Strom ist sqrt (0,1) A = 316 mA,

Leistungsfaktor beträgt etwa 32%