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Leistungsfaktor und Kompensation

Was der Leistungsfaktor λ und cos φ aussagen, wie du induktive Blindleistung mit Kondensatoren kompensierst und was PFC in Netzteilen macht.

4 Min. LesezeitLeistungsfaktorcos φBlindleistungskompensationPFC

Der Leistungsfaktor beschreibt mit einer einzigen Zahl, wie gut ein Verbraucher den Strom aus dem Netz nutzt. Bei 1 wird die gesamte Scheinleistung in Wirkleistung umgesetzt, bei 0,5 muss die Leitung doppelt so viel Strom führen, wie für die Arbeit nötig wäre. Wie man ihn verbessert, ist eine klassische Aufgabe der Energietechnik – und betrifft über die Netzteile auch jedes Elektronikgerät.

Definition: λ und cos φ

Allgemein ist der Leistungsfaktor λ das Verhältnis von Wirkleistung zu Scheinleistung:

λ = PS

Sind Strom und Spannung sinusförmig, hängt er nur vom Phasenwinkel ab, und es gilt λ = cos φ. Deshalb wird „cos φ“ oft als Synonym für den Leistungsfaktor verwendet. Typische Werte:

VerbraucherLeistungsfaktor
Heizwiderstand, Glühlampe1
Asynchronmotor unter Volllast0,8 – 0,9
Asynchronmotor im Leerlauf0,2 – 0,4
Schaltnetzteil ohne PFC0,5 – 0,7
Schaltnetzteil mit aktiver PFCüber 0,95

Kompensation induktiver Last

Motoren, Transformatoren und Vorschaltdrosseln ziehen einen nacheilenden Strom – sie brauchen induktive Blindleistung für ihr Magnetfeld. Ein parallel geschalteter Kondensator liefert einen voreilenden Strom (siehe kapazitiver Blindwiderstand). Beide Blindströme sind gegenphasig und heben sich teilweise auf. Die Blindleistung pendelt dann nur noch zwischen Kondensator und Motor, statt über die Netzleitung zu laufen.

Wechselspannungsquelle mit Motor und parallelem Kompensationskondensator
Kompensation: Der Kondensator C liegt parallel zum Motor (gestrichelt, Ersatzschaltung aus R und L) und liefert dessen Blindstrom vor Ort.

Die nötige kapazitive Blindleistung, um den Phasenwinkel von φ1 auf φ2 zu verkleinern, ist:

QC = P · (tan φ1 − tan φ2)
Leistungsdreieck vor und nach der Kompensation: QC verkürzt Q1, S2 ist kleiner als S1
Kompensation im Leistungsdreieck: Die Wirkleistung P bleibt gleich, der Kondensator zieht QC von der Blindleistung ab (von B nach C). Die Scheinleistung sinkt von S1 auf S2, der Winkel von φ1 auf φ2.

Daraus ergibt sich bei einphasigem Anschluss die Kapazität:

C = QCω · U2

Man kompensiert bewusst nicht ganz auf cos φ = 1: Der Aufwand steigt zum Ende hin stark, und bei schwankender Last droht Überkompensation – dann wird die Anlage kapazitiv, was ebenfalls unerwünscht ist.

Einzel-, Gruppen- und Zentralkompensation

  • Einzelkompensation: Jeder große Motor bekommt seinen eigenen Kondensator, der mit ihm zusammen geschaltet wird. Die Leitung bis zum Motor wird entlastet.
  • Gruppenkompensation: Ein Kondensator für mehrere gemeinsam laufende Verbraucher.
  • Zentralkompensation: Eine geregelte Anlage am Hausanschluss schaltet je nach Bedarf Kondensatorstufen zu. Üblich in Industriebetrieben.

Leistungsfaktor in der Elektronik: PFC

Ein einfaches Netzteil mit Gleichrichter und Ladekondensator zieht nur in den kurzen Momenten um den Scheitelwert der Netzspannung Strom, wenn diese über der Kondensatorspannung liegt. Der Strom ist eine Folge schmaler, hoher Spitzen. Er ist zwar fast in Phase mit der Spannung, aber stark verzerrt – voller Oberschwingungen (siehe Verzerrungen). Der Leistungsfaktor liegt dann trotz cos φ ≈ 1 oft nur bei 0,5 bis 0,7.

Sinusförmige Netzspannung und schmale Stromimpulse jeweils an den Spannungsspitzen
Netzteil ohne PFC: Strom fließt nur in schmalen Impulsen um die Spannungsspitzen – fast in Phase, aber stark verzerrt.

Hier hilft kein Kondensator. Stattdessen gibt es die Leistungsfaktorkorrektur (PFC):

  • Passive PFC: Eine Drossel vor dem Ladekondensator verbreitert die Stromimpulse. Einfach, aber schwer und nur mäßig wirksam.
  • Aktive PFC: Ein Hochsetzsteller hinter dem Gleichrichter regelt den Eingangsstrom so, dass er der Sinusform der Netzspannung folgt. Damit erreicht man Werte über 0,95.
Blockschaltbild: Netz, Gleichrichter, PFC-Hochsetzsteller, Zwischenkreis 400 V, DC/DC-Wandler, Ausgang
Netzteil mit aktiver PFC: Der Hochsetzsteller hinter dem Gleichrichter formt den Eingangsstrom sinusförmig und lädt den Zwischenkreis auf rund 400 V.

Für die meisten netzbetriebenen Geräte ab 75 W Eingangsleistung schreibt die Norm EN 61000-3-2 Grenzwerte für die Oberschwingungsströme vor. Praktisch alle größeren Netzteile – PC-Netzteile, Ladegeräte, LED-Treiber – haben deshalb eine aktive PFC.

Selbsttest

Ein Verbraucher nimmt 1,6 kW Wirkleistung und 2 kVA Scheinleistung auf. Wie groß ist der Leistungsfaktor?

λ = 1,6 kW / 2 kVA = 0,8.

Warum schaltet man zur Kompensation einen Kondensator parallel zum Motor?

Sein voreilender Blindstrom hebt den nacheilenden Blindstrom des Motors auf, die Netzleitung führt weniger Strom.

Warum hilft ein Kondensator nicht beim schlechten Leistungsfaktor eines Schaltnetzteils?

Weil dort nicht die Phasenverschiebung, sondern die verzerrte Stromform das Problem ist; dagegen hilft eine PFC-Schaltung.