AC-Eingangsstromanforderungen für Stromquellen

Programmierbare Wechselstromquellen für Entwicklungs- und Testanwendungen wandeln die lokal verfügbare Versorgungsspannung in spezifische Präzisionswechsel- oder -gleichstromausgangsformate um, die für die Prüfung oder Steuerung der zu prüfenden Einheiten benötigt werden. Dies wird als "Festkörper-Stromumwandlung" bezeichnet, da aktive elektronische Schaltungen anstelle von rotierenden Wandlern oder reinen Spannungswandlern verwendet werden. Dies hat zahlreiche Vorteile für Prüfanwendungen:

• Gleichzeitige Umwandlung von Spannung und Frequenz
• Galvanische Trennung zwischen dem Netz und dem Prüfling, da der -Quelle schwimmend gelagert werden kann
• Verfügbare Phasenumwandlung zwischen einphasigem, geteiltem oder dreiphasigem Netz in einphasiges, geteiltes oder dreiphasiges Netz je nach Bedarf

Unabhängig vom Prüfziel nehmen Halbleiterstromrichter die Versorgungsenergie als Eingangsspannung auf und wandeln sie in die gewünschte Ausgangsspannung, Frequenz und Phasenkonfiguration um.

Einphasiger AC-Eingang 

Einphasige AC-Eingangskonfigurationen sind bei weitem am praktischsten, da jedes Labor oder jede Fabrikhalle über einphasige Steckdosen verfügt. In Ländern, in denen 230Vac oder 240Vac Netzspannung Standard ist, sorgt dies für eine angemessene verfügbare Eingangsleistung, um Anforderungen von bis zu 3000W zu unterstützen.

In Ländern wie den USA oder Japan, in denen die Netzspannung nur 120Vac oder 110Vac beträgt, kann eine Standard-Wechselstromsteckdose weit weniger Leistung aufnehmen. Eine typische 120-Vac-Steckdose unterstützt nur 10 A, so dass im besten Fall 1200 VA zur Verfügung stehen. Dabei werden mögliche niedrige Netzspannungen nicht berücksichtigt, die die Eingangsleistung weiter reduzieren können. In den USA gibt es zwar auch 120-Volt- und 20-Ampere-Steckdosen, diese sind jedoch nicht sehr verbreitet und verwenden eine andere Pin-Ausrichtung, so dass die Standardstecker der modularen Netzkabel nicht mit diesen Steckdosen kompatibel sind.

Abbildung 1: Einphasen-Netzanschluss

Bei einem Leistungsbedarf von mehr als 1000 W in den USA wird ein zweiphasiger 240-V-Wechselstrom oder ein dreiphasiger 208-V-Wechselstrom benötigt.

Dreiphasiger AC-Eingang

Dreiphasiger Strom wird in der Regel für höhere Leistungen und industrielle Anwendungen verwendet. In Fabrikhallen und Testlabors sind in der Regel dreiphasige Steckdosen vorhanden. In Bürogebäuden wird dreiphasiger Strom für die Beleuchtung verwendet, die ein großer Stromverbraucher ist, so dass dreiphasiger Strom im Gebäude vorhanden sein kann, dreiphasige Steckdosen jedoch nicht.

Es gibt drei gängige dreiphasige Konfigurationen, die auf der Welt verfügbar sind:

• 208Vac dreiphasig Wye Japan
• 208Vac dreiphasig Wye US
• 400Vac dreiphasig Wye Europa, Asien
• 480Vac dreiphasig Delta US

In einigen Ländern (Kanada) können höhere Spannungen vorhanden sein, und es kann ein Delta/Sye-Transformator verwendet werden, um von Delta auf Wye oder umgekehrt zu wechseln.

Abbildung 2: Dreiphasen-Dreieck-Netzanschluss

Delta- oder Wye-Eingang?
Nicht alle AC- oder DC-Stromquellen mit höherer Leistung haben die gleiche dreiphasige Eingangskonfiguration. Achten Sie auf die Art der dreiphasigen Spannungskonfiguration, die von der -Quelle unterstützt wird, die Sie in Betracht ziehen. Wenn die Eingangskonfiguration ein Dreieck ist, kann die -Quelle entweder mit einer Dreieck- oder einer Sternnetzkonfiguration verwendet werden. Der Neutralleiter wird beim Anschluss an das Netz nicht benötigt.

Benötigt die -Quelle dagegen einen Neutralleiteranschluss (nur für Sternpunkt-Eingänge), kann sie nicht mit einem Dreieck-Netz verwendet werden. Diese Arten von Eingangsdesigns werden oft beeinträchtigt, wenn sie grob unsymmetrische dreiphasige Lasten antreiben, da ein beträchtlicher Betrag an Neutralstrom fließen kann. Versuchen Sie bei der Prüfung der Lastunsymmetrie, derartige Stromquellen zu vermeiden.

Abbildung 3: Dreiphasige WYE- und DELTA-Konfigurationen

Ebenso wichtig ist natürlich die Beachtung des Eingangswechselspannungsbereiches. Er muss mit dem übereinstimmen, was am Einsatzort des Geräts zur Verfügung steht.
Während leistungsfaktorkorrigierte einphasige Eingangsstromquellen oft einen weiten Eingangswechselspannungsbereich aufweisen, ist dies bei dreiphasigen Produkten in der Regel nicht der Fall, da die damit verbundene Anforderung eines weiten Eingangsstrombereichs schwierig oder kostspielig zu realisieren wäre.

Einige Produkte verwenden jedoch Wechselstrom-Eingangstransformatoren, die mehrere Spannungseingangstransformatoranzapfungen unterstützen können, so dass sie für verschiedene Orte auf der Welt umgeschnallt werden können. Der Nachteil dabei ist, dass solche Stromquellen in der Regel ein wenig größer und schwerer sind.

AC-Eingangsstrom

Die Anforderungen an den Eingangsstrom werden sowohl bei ein- als auch bei dreiphasigen Eingangskonfigurationen durch mehrere Faktoren bestimmt:

• Eingangsspannungsbereich
• Ausgangsleistung
• Leistungsfaktor
• Wirkungsgrad
• Überlastbetrieb

All diese Faktoren bestimmen, wie hoch die VA des AC-Eingangs sein muss, um die maximale Nennausgangsleistung der programmierbaren Quelle zu unterstützen. Wenn zum Beispiel eine 2kVA-Quelle an eine ohmsche Last angeschlossen ist, beträgt die maximale Ausgangsleistung sowohl 2000W als auch 2000VA. Nehmen wir an, die Eingangsspezifikation lautet wie folgt

• AC Spannung Eingangsbereich: 230Vac ± 10%
• Stromstärke: 15A
• Leistungsfaktor: 8
• Wirkungsgrad: 82%

Da die AC-Eingangsspannung 230 V nominal ist, müssen wir einen Betrieb bis zu 230 V * 0,9 = 207 Vac im schlimmsten Fall berücksichtigen. Nicht alle Stromnetze auf der Welt sind stabil, und es kommt häufig zu Stromausfällen.
Um die erforderliche Ausgangsleistung von 2000 W zu erreichen, wird die vom Netz benötigte Eingangsleistung nach der folgenden Formel bestimmt:

Pin = (Pout / PF ) / Eff

Für unser Beispiel bedeutet dies:

Pin = (2000) / 0,8 ) / 0,82 = 3048 VA

Im ungünstigsten Fall, bei einer niedrigen Eingangsspannung von 207Vac, werden 3048 / (230* 0,9) = 14,724 A benötigt.

Bei einer dreiphasigen -Quelle wird das Verhältnis zwischen der erforderlichen Eingangsleistung und dem Strom auf ähnliche Weise berechnet, aber der tatsächliche Strom muss durch drei Phasen oder durch √3 geteilt werden. Eine erforderliche Eingangsleistung von 10kVA bei einem dreiphasigen 208V-Netzanschluss würde also Folgendes ergeben

((10000 / (208*0.9)) / √3 = 30,84 A RMS pro Phase.

Dies veranschaulicht die Auswirkungen des Leistungsfaktors und des Wirkungsgrads auf den AC-Eingangsstrom und die damit verbundene Dimensionierung von Unterbrechern und Eingangsleitungen. In diesem einphasigen Eingangsbeispiel ist der Eingangsstrom von 15 A in Europa und anderen Ländern in der Regel an Standard-230-Vac-Steckdosen verfügbar. Sobald wir mehr als 2000 W Ausgangsleistung benötigen, müssen wir entweder eine effizientere oder eine AC-Quelle mit besserem Eingangsleistungsfaktor wählen oder die Verwendung einer dreiphasigen Eingangsleistung in Betracht ziehen. Schauen wir uns die beiden Spezifikationen an, die den größten Einfluss auf den erforderlichen Eingangsstrom haben: Leistungsfaktor und Wirkungsgrad.

Einschaltstrom

Während wir den erforderlichen RMS-Eingangsstrom zur Unterstützung der vollen Nennausgangsleistung behandelt haben, müssen wir auch den anfänglichen Einschaltstrom beim ersten Einschalten einer -Quelle oder eines Netzteils beachten. Da die meisten Eingangsschaltungen aus einem Brückengleichrichter und einem großen Speicherkondensator bestehen, können die anfänglichen Stromspitzen hoch sein, wenn der Eingangskondensator vollständig entladen ist. Dies kann auch bei leistungsfaktorkorrigierten Eingangsschaltungen der Fall sein.

Um das Auslösen von Schutzschaltern aufgrund übermäßiger Einschaltströme zu vermeiden, muss die -Quelle mit einer Softstart-Schaltung ausgestattet sein. Eine solche Schaltung verwendet einen Strombegrenzungswiderstand oder einen Thermistor, um die Einschaltspitzenströme zu begrenzen, während sich die großen Speicherkondensatoren auf dem DC-Bus aufladen. Nach dem Aufladen wird dieser Widerstand entweder überbrückt oder bleibt in einem niederohmigen Zustand, wenn ein Thermistor verwendet wird.

Die Pacific-Modelle mit einer Nennleistung von 4500 VA oder mehr verfügen alle über eine integrierte Sanftanlaufschaltung. Bei Modellen mit geringerer Leistung ist dies nicht immer erforderlich, kann aber als Option angeboten werden.

Leistungsfaktor

Höhere Leistungsfaktoren können durch die Auswahl von Wechselstromquellen mit Leistungsfaktorkorrektur erreicht werden. Es gibt zwei üblicherweise verwendete Methoden:

• Passive PFC
• Aktive PFC

Bei der passiven PFC wird eine Eingangsinduktivität verwendet, um die Eingangsinduktivität zu kompensieren, was zu Leistungsfaktoren von bis zu 0,85 führen kann. Bei dreiphasigen AC-Eingangsdesigns, bei denen die Leistungsfaktorkorrektur auf jeder der drei Phasenleitungen separat durchgeführt werden muss, können sich die Kosten für die PFC-Schaltung schnell summieren.
Aktive PFC-Schaltungen verwenden jedoch Schaltkreise, die dynamisch Strom ziehen, so dass die Eingangswellenform der gewünschten sinusförmigen Wellenform entspricht. Diese werden häufig für Hochleistungsstromquellen eingesetzt, die auf Präzision und geringes Rauschen ausgelegt sind. Aktive PFC wird auch eingesetzt, um einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen, und funktioniert in einem weiten Bereich von Netzwechselspannungen und Lasten.