Warum der Leistungsfaktor entscheidend ist: Schlüssel zu effizienten elektrischen Systemen

Der Begriff Leistungsfaktor lässt sich auf drei Arten definieren:

• „Der Kosinus des Winkels zwischen Strom und Spannung eines Wechselstromkreises heißt Leistungsfaktor.“
• „Das Verhältnis zwischen Widerstand und Gesamtimpedanz eines Wechselstromkreises heißt Leistungsfaktor.“
• „Das Verhältnis zwischen Wirkleistung und Scheinleistung heißt Leistungsfaktor.“

Bei induktiver Last ist der Leistungsfaktor nacheilend, da der Strom der Spannung nachhinkt. Bei kapazitiver Last verhält es sich umgekehrt: Der Strom eilt der Spannung voraus – man spricht von einem voreilenden Leistungsfaktor.

Der Leistungsfaktor spielt in Wechselstromkreisen eine wichtige Rolle, abhängig von der Last. Je niedriger der Leistungsfaktor, desto höher der Laststrom – und umgekehrt. Ein nacheilender Leistungsfaktor hat Nachteile wie eine große KVA-Bewertung, da die Scheinleistung umgekehrt proportional zum Leistungsfaktor ist.

• Bei nacheilendem Leistungsfaktor müssen Leitungen größere Leiterquerschnitte aufweisen, da bei niedrigem cos φ ein großer Strom fließt.
• Ein weiterer Nachteil sind hohe Kupferverluste: Bei niedrigem Leistungsfaktor fließt ein großer Strom, was zu höheren I²R-Verlusten und damit schlechterem Wirkungsgrad führt.
• Der große Strom bei niedrigem cos φ verursacht größere Spannungsfälle in Generatoren und Leitungen, wodurch die Lastaufnahmekapazität des Systems sinken kann.

Ursachen für niedrigen Leistungsfaktor

Ein niedriger Leistungsfaktor ist aus wirtschaftlicher Sicht unerwünscht.

1. Die meisten AC-Motoren (Ein- und Drehstrom) sind Asynchronmotoren, die bei extrem niedrigem Leistungsfaktor (0,2 bis 0,3) arbeiten.
2. Industrieöfen, Lichtbogenlampen, Gasentladungslampen etc. arbeiten bei niedrigem Leistungsfaktor.

Leistungsfaktorkorrektur

Der niedrige Leistungsfaktor wird hauptsächlich durch induktive Lasten verursacht. Um dies zu kompensieren, muss ein Kondensator parallel zur Last geschaltet werden, der den nacheilenden Blindstrom ausgleicht. Die Verbesserung kann durch folgende Geräte erreicht werden:

• Statischer Kondensator

Der Leistungsfaktor lässt sich durch Parallelschaltung eines Kondensators an die induktive Last verbessern. Der Kondensator zieht einen voreilenden Strom, der den nacheilenden Blindstrom der induktiven Last kompensiert. Bei Drehstromlasten können die Kondensatoren in Stern- oder Dreieckschaltung angeschlossen werden.

• Synchroner Kondensator

Synchronmotoren ziehen bei Übererregung einen voreilenden Strom und verhalten sich wie Kondensatoren. Ein übererregter Synchronmotor im Leerlauf wird als synchroner Kondensator bezeichnet. Wird ein solches Gerät parallel zum Netz geschaltet, nimmt es voreilenden Strom auf, der den niedrigen Leistungsfaktor teilweise neutralisiert oder minimiert – der Leistungsfaktor verbessert sich.

• Phasenvorschaltgeräte

Ein Phasenvorschaltgerät dient ebenfalls der Leistungsfaktorverbesserung. Der niedrige cos φ bei Asynchronmotoren entsteht, weil der Stator einen hohen Erregerstrom zieht, der der Netzspannung um 90° nachhinkt. Der Phasenvorschalter ist im Wesentlichen eine externe Wechselstromerregung für den Motor, die den Stator vom Erregerstrom entlastet und so den Leistungsfaktor verbessert.