Leistungsfaktor

Wir regeln das.
Info-Brief Nr. 22
Definitionen
„Leistungsfaktor“ und „Strom-Verzerrungsblindleistung“
Leistungsfaktor und cos:
Der Leistungsfaktor kann zwischen 0 und 1 liegen.
In Stromversorgungseinrichtungen wird zur Vermeidung
von Übertragungsverlusten ein möglichst hoher Leistungsfaktor angestrebt. Im Idealfall beträgt er 1,0. Energieversorgungsunternehmen schreiben für ihre Kunden
häufig einen Leistungsfaktor von mindestens 0,9 vor.
Wird dieser Wert unterschritten, wird die bezogene Blindarbeit gesondert in Rechnung gestellt.
Unter den oben beschriebenen Bedingungen gilt auch:
In Verbindung mit dem Thema Netzrückwirkungen in
elektronischen Schaltungen spielt der Leistungsfaktor
(power factor) eine besondere Rolle.
Als Leistungsfaktor, Wirkleistungsfaktor oder auch Wirkfaktor bezeichnet man das Verhältnis von Wirkleistung P
zur Scheinleistung S.
Wirkleistung:
P  U  I cos 
  cos
Strom-Verzerrungsblindleistung:
Die Verzerrungsblindleistung oder auch Oberschwingungsblindleistung genannt, beschreibt eine spezielle
Form der Blindleistung. In Wechsel- bzw. Drehstromnetzen wird durch nichtlineare Verbraucher wie Gleichrichter, Wechselrichter oder auch magnetische Bauteile
mit Sättigungserscheinungen Verzerrungsblindleistung
erzeugt. Der nichtsinusförmige Strom ist als Summe von
Oberschwingungsströmen darstellbar. Diese Oberschwingungen des Stromes in Kombination mit Grundschwingungen der Netzspannung ergeben Blindleistungsanteile,
die als Stromverzerrungsblindleistung bezeichnet werden.
Das Produkt der Spannung mit allen Oberschwingungsströmen bildet somit die Stromverzerrungsblindleistung
D:
Scheinleistung:
D U 
S U  I
 I

2
2
Die Scheinleistung (S) entspricht dem Produkt von Spannungseffektivwert (U) mit Stromeffektivwert (I).
Leistungsfaktor:


P
S ( Power Faktor PF )
Hinweis:
Die Definition beruht auf der Annahme, dass keine Spannungsharmonischen existieren, die mit Stromharmonische (gleiche Frequenz) eine Wirkleistung erzeugen können.
Strom-Verzerrungsblindleistung (D) ist:
| |
Die anstelle des Leistungsfaktors ( ) traditionell verwendete Messgröße „cos“ resultiert im Wesentlichen aus
der bisher verwendeten Messtechnik. In herkömmlichen
Messumformern verwendet man die bedeutend einfacher zu realisierende Messung der Phasenverschiebung
zwischen Strom und Spannung.
Die entsprechenden Umformer geben in aller Regel ein
dem Winkel  lineares Ausgangssignal ab (z.B. -20 mA …
0 … 20 mA). Die gewünschte Cosinus-Funktion wird auf
den Skalen der Nachschaltgeräte durch eine entsprechende unlineare Skaleneinteilung realisiert (Skalenverlauf proportional der Cosinus-Kurve z.B. 0,5 kapazitiv … 0
… 0,5 induktiv)
Nur bei exakt sinusförmigen Strömen und Spannungen ist
der Leistungsfaktor gleich dem Cosinus des Phasenwinkels .
2
D  S 2  P 2  Q50
Bild 1
Die Wirkleistung P ist jene Leistung, die von einem Verbraucher als Leistung verbraucht wird. Die Grundschwingungs-Blindleistung Q50 ist eine Leistungskomponente, die
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infolge der Energiespeicherung in den induktiven oder
kapazitiven Anteilen der Verbraucher periodisch zwischen
Erzeuger und Verbraucher hin- und herpendelt.
Durch den großen Anteil von Strom-Oberschwingungen
(THD I = 375%) beträgt bei diesem Verbraucher der Leistungsfaktor  = 0,20, während der cos bei 0,93 liegt.
Bei Strom-Oberschwingungen im Netz, kommt eine dritte
Komponente, die Strom-Verzerrungsblindleistung D hinzu, die die Blindleistung der Strom-Oberschwingungen
darstellt.
Das Produkt aus zwei reinen Sinusschwingungen unterschiedlicher Ordnungszahl ist über eine Periode Null, trotz
zeitlicher Änderung!
Bild 2
rot
grün
blau
=
=
=
Spannung 50 Hz;
Strom 150 Hz;
Leistung aus Produkt U 50Hz
und I 150 Hz
Viele elektronische Verbraucher wie Brückengleichrichterschaltungen oder Schaltnetzteile haben einen hohen
cos der nahe 1 liegt, aber einen schlechten Leistungsfaktor.
Hier würde der Einsatz einer Kompensationsanlage keine
Reduktion der Blindleistung oder eine Verbesserung des
Leistungsfaktors erbringen.
Spannungs- und Strom-Oberschwingungen verschiedener
Frequenz ergeben während einer Periode keine mittlere
Leistung, somit auch keine Wirkleistung.
Die Wirkleistung wird nur aus den Strom- und Spannungsanteilen gleicher Frequenz gebildet, in diesem Fall
nur mit der Stromgrundschwingung:
Wirkleistung:
P  U  I1 cos1
Damit ergibt sich für den
Leistungsfaktor:

U  I1  cos1
S
Beispiel Energiesparlampe:
Strom L1
Spannung L1-N
Wirkleistung P
Scheinleistung S
Blindleistung Q
Strom-Verzerrungsblindleistung D
=
=
=
=
=
=
580 mA
232 V
28 W
134,6 VA
131,6 VAr
112 VAr
Die Reihe wird fortgesetzt.
Fehlende Info-Briefe liefern wir Ihnen jederzeit gerne nach.
Ausgabe: 03-2013 / I022-1-D-1-001-04.docx
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