Leistungsfaktorverbesserung: Methoden, Vorteile und Kompromisse

Methoden zur Verbesserung des Leistungsfaktors

Für die Leistungsfaktorkorrektur werden folgende Geräte und Einrichtungen eingesetzt:

1. Statische Kondensatoren (Kondensatorbatterien)
2. Synchronkondensatoren (Synchrongeneratoren im Leerlauf)
3. Phasenvorschalter

1. Statische Kondensatoren

Die meisten industriellen Lasten und Netze sind induktiv und ziehen nachlaufenden Strom, was den Leistungsfaktor des Systems senkt. Zur Verbesserung werden statische Kondensatoren parallel zu den Geräten mit niedrigem Leistungsfaktor geschaltet.

Diese Kondensatoren liefern vorlaufenden Strom, der die nachlaufende induktive Komponente des Laststroms (ganz oder teilweise) kompensiert. Dadurch verbessert sich der Leistungsfaktor des Laststromkreises. Die Kondensatoren werden in unmittelbarer Nähe großer induktiver Lasten wie Asynchronmotoren und Transformatoren installiert, um den Leistungsfaktor des Lastkreises und damit die System- oder Geräteeffizienz zu steigern.

Funktionsweise:

Ein einphasiger induktiver Last zieht einen nachlaufenden Strom I bei einem Leistungsfaktor cos θ₁. Wird ein Kondensator (C) parallel geschaltet, fließt ein Strom I_C, der der Spannung um 90° vorauseilt. Die Vektorsumme von I und I_C ergibt den neuen Strom I', der nur noch um θ₂ nachläuft (θ₂ < θ₁). Da cos θ₂ > cos θ₁, verbessert sich der Leistungsfaktor. Nach der Korrektur ist der Stromkreisstrom geringer als vorher, während die Wirkstromkomponente und die aktive Leistung (in Watt) unverändert bleiben.

Vorteile:

• Geringe Verluste
• Keine beweglichen Teile → geringer Wartungsaufwand
• Funktioniert unter normalen Umgebungsbedingungen
• Kein Fundament für die Installation erforderlich
• Leichtgewichtig und einfach zu installieren

Nachteile:

• Begrenzte Lebensdauer (8–10 Jahre)
• Bei Laständerungen muss die Kondensatorbatterie ein-/ausgeschaltet werden → Schaltüberspannungen
• Überspannung beschädigt die Kondensatoren
• Reparatur defekter Kondensatoren ist kostspielig

2. Synchronkondensator

Ein Synchronmotor, der im Leerlauf und übererregt betrieben wird, nennt man Synchronkondensator. In übererregtem Zustand liefert er vorlaufenden Strom und verhält sich wie ein Kondensator. Wird er parallel zum Netz geschaltet, zieht er vorlaufenden Strom, kompensiert teilweise die Blindstromkomponente und verbessert so den Leistungsfaktor. Synchronkondensatoren kommen vor allem in großen Industrieanlagen zum Einsatz.

Vorteile:

• Lange Lebensdauer (ca. 25 Jahre)
• Hohe Zuverlässigkeit
• Stufenlose Einstellung des Leistungsfaktors
• Keine Oberwellenerzeugung
• Fehler lassen sich leicht beheben
• Unempfindlich gegen Oberwellen
• Geringer Wartungsaufwand (nur periodisches Schmieren der Lager)

Nachteile:

• Hohe Anschaffungs- und Wartungskosten → meist nur für Großverbraucher wirtschaftlich
• Zusatzgerät zum Anlauf nötig (Synchronmotor hat kein Eigenanlaufmoment)
• Geräuschemission

3. Phasenvorschalter

Ein Phasenvorschalter ist ein einfacher AC-Erreger, der auf der Hauptwelle des Motors sitzt und mit dem Rotorkreis des Motors zur Leistungsfaktorverbesserung zusammenarbeitet. Er wird eingesetzt, um den Leistungsfaktor von Asynchronmotoren in der Industrie zu verbessern.

Da die Statorwicklungen eines Asynchronmotors nachlaufenden Strom (90° phasenverschoben zur Spannung) ziehen, ist der Leistungsfaktor niedrig. Werden die Erregeramperewindungen von einer externen AC-Quelle gespeist, entfällt deren Einfluss auf die Statorwicklungen, und der Leistungsfaktor verbessert sich. Diesen Prozess übernimmt der Phasenvorschalter.

Vorteile:

• Der vom Motor gezogene nachlaufende kVAR (Blindleistung) wird deutlich reduziert, da die Erregeramperewindungen bei Schlupffrequenz (f_s) zugeführt werden
• Einsetzbar dort, wo Synchronmotoren nicht in Frage kommen

Nachteil:

• Für Motoren unter ca. 200 PS (≈150 kW) nicht wirtschaftlich

Leistungsfaktorverbesserung in Ein- und Dreiphasensystemen (Stern- & Dreieckschaltung)

In Dreiphasensystemen erfolgt die Korrektur durch Anschluss einer Kondensatorbatterie in (1) Dreieckschaltung oder (2) Sternschaltung.

Weiterführende Themen:

• Leistungsfaktor
• Wirk-, Blind-, Schein- und komplexe Leistung
• Ursachen für niedrigen Leistungsfaktor
• Nachteile niedrigen Leistungsfaktors
• Vorteile der Leistungsfaktorverbesserung
• Berechnung der Kondensatorgröße für PFC
• Umrechnung Farad ↔ kVAR