Cos ϕ vs. Leistungsfaktor λ

In der Praxis

Dieser zweite Fachbericht zum Thema Blindleistung und insbesondere der Verzerrungsblindleistung ergänzt den ersten Beitrag Cosphi vs. Leistungsfaktor Theorie. In diesem Beitrag wird mit einem Netzanalysator (PQ-Box 200) die Spannung und der Strom einer Glühlampe in einer Onlinemessung gemessen, welche über eine Phasenanschnittsteuerung geregelt wird. Anhang von diesem Messbeispiel soll die Entstehung der verschiedenen Blindleistungsarten veranschaulicht werden.

1 Messbeispiel

Das Beispiel zeigt, wie man mit einem Netzanalysator die Spannung, den Strom und die Leistungsmesswerte einmal auf der Netzseite an der Steckdose und einmal direkt am Verbraucher, in diesem Fall einer Glühlampe, misst. Mit diesen Messwerten kann man dann die Verzerrungsblindleistung berechnen und analysieren.

2 Online Oszilloskop-Bild

Im Online Oszilloskopbild sind die Kurvenformen von Strom und Spannung sichtbar. Zunächst werden nur die Spannungen eingeblendet. Ein Sinus der Steckdose ist zu erkennen, welcher eine saubere Form aufweist, jedoch leicht abgeflacht ist. Dies ist typisch für Bürogebäude, in denen eine Vielzahl an einphasigen Netzteilen verwendet werden. Die Netzspannung hat einen Effektivwert von nahezu 230V UL1. Ist die Phasenanschnittsteuerung auf maximale Helligkeit eingestellt so beträgt der Effektivwert des Stromes 1,33A.

Über die Phasenanschnittsteuerung wird nun die Spannung soweit angeschnitten bis sich ein Stromeffektivwert von 1A einstellt. Der Strom ist an jeder Stelle der Schaltung identisch und beträgt an der Glühlampe ebenfalls 1A RMS.

Die Spannung an der Glühlampe wurde reduziert auf einen Effektivwert von 135V. Da die Glühlampe ein ohmischer Verbraucher ist, folgt der Strom 1:1 der angelegten Spannung. In den Messergebnissen ist die Spannung an der Steckdose in grün und die Spannung, die über die Phasenanschnittsteuerung der Glühlampe gegeben wird, in blau dargestellt.

3 Betätigung Phasenanschnittsteuerung
4 Vereinfachte Darstellung Schaltung der Strom und Spannungsmesswerte

In der Messung wurde eine Spannung von 135 Volt und einen Strom von 1 Ampere an der Glühlampe gemessen. An der Netzseite wurden 230 Volt und 1 Ampere gemessen. Somit stellt sich die Frage welche Leistungsmesswerte sich auf der Netzseite sowie am Verbraucher ergeben? Welche Leistung wird mir als Wirkleistung berechnet?

Durch die Verwendung der Phasenanschnittsteuerung ergiebt sich eine Verschiebung der Grundschwingungspannung zum Grundschwingungstrom. Hierdurch bekommen wir einen Phasenwinkel phi der Grundschwingungsverschiebung. Der Strom ist in diesem Fall um 40 Grad nacheilend zur Spannung. Der Phasenwinkel auf den Phasen L2, L3 (an der Glühlampe) ist nahezu Null, was einem Cosinus-Phi von exakt 1 entspricht. Es ist zu beachten, dass die Glühlampe weiterhin ein ohmischer Verbraucher bleibt.

Das Bild Nr. 5 zeigt alle Leistungsmesswerte der Messeingänge der PQ-Box 200. Alle Messwerte der Phase L1 beziehen sich auf den Netzanschluss (Steckdose), die Messwerte L2 und L3 wurden direkt an der Glühlampe ermittelt.

5 Betrachtung aller Leistungsmesswerte

Es ergeben sich somit folgende Leistungsmesswerte:

  1. Messwerte an der Glühlampe (L2, L3)
    Die Wirkleistung entspricht der Scheinleistung. Der cosphi sowie der Leistungsfaktor PF liegt auf dem Wert 1, was einem rein ohmschen Verbraucher entspricht.
  2. Messwerte am Netzanschluss (vor der Phasenanschnittsteuerung; L1)
    Aufgrund der Phasenverschiebung von Grundschwingung Strom zu Spannung mit ca. 40° ergibt sich eine Grundschwingungsblindleistung in Höhe von 114Var. Diese Blindleistung alleine kann nicht die Differenz zwischen der Scheinleistung (232VA) und der Wirkleistung (140W) erklären. Der Leistungsfaktor der sich aus der Division aus Schein und Wirkleistung ergibt beträgt hier den Wert 0,6. Der cosphi den man aus dem Phasenwinkel phi berechnet ergibt einen Wert von 0,77.
6 Leistung in der Energieanlage

Versucht man nun die Wirkleistung am Eingang der Schaltung über die bekannte Formel P = U x I x Cos(Phi) zu berechnen so erhält man falsche Messwerte. In unserem Fall eine Wirkleistung von 177W. Damit die Formel eine korrekte Wirkleistung berechnet muss darauf geachtet werden für den Strom auch nur den 50Hz Anteil des Stromes ein zu setzten. Dieser Entspricht mit 1A.

7 Analyse des Stromspektrums

Die Analyse des Stromspektrums zeigt einen Effektivwert von 1A, welcher die Summe aus der Grundschwingung und allen Stromharmonischen darstellt. Wird der Cursor auf 50 Hertz positioniert, zeigt die Software WinPQ mobil einen Wert von 770mA und z.B. auf 150 Hertz ein Wert von 118mA. Korrekte Berechnung der Wirkleistung erfordert die Verwendung von 230 Volt multipliziert mit dem korrekten Strom, welcher auf den 50 Hertzanteil von 0,770A und den Cosinus des Winkels Phi von 0,77 beschränkt ist. Das Ergebnis entspricht nun dem Wert, der von der Glühlampe umgesetzt wird. Das Messgerät berechnet dies bereits korrekt, wodurch eine Wirkleistung von 139 Watt auf der Netzseite ermittelt wird. Die Glühlampe setzt momentan 136 Watt um. Die Differenz von wenigen Watt ist auf Verluste des Dimmers zurückzuführen.

In dieser Schaltung ist die Oberschwingungsblindleistung nicht zu vernachlässigen. Diese lässt sich in der Grafik 8 erkennen (mit D gekennzeichnet).

8 Grafische Darstellung der Messwerte

Die kollektive Gesamtblindleistung setzt sich in dieser Messung aus der Grundschwingungsblindleistung von 114Var und einer Verzerrungsblindleistung (Oberschwingungsblindleistung) von 147Var zusammen. Diese quadratisch summiert ergeben eine kollektive Gesamtblindleistung von 186Var. Die Wirkleistung beträgt 138W. Die Grundschwingungsverschiebungsblindleistung von 114Var steht im rechten Winkel zur Wirkleistung (grün). Die quadratische Summe der beiden Blindleistungen ergibt die gesamte Blindleistung für die Phase L1 (rot) mit 186var. Die Wirkleistung und Gesamtblindleistung quadratisch summiert ergibt 232VA (blau), was wieder U mal I entspricht. Es muss beachtet werden, dass in elektrischen Anlagen, wenn der Strom nicht sinusförmig ist, eine Verzerrungsblindleistung vorliegt und diese bei der Berechnung der Leistungen mit einbezogen werden muss.

Autor
Jürgen Blum, Produktmanager Power Quality Mobil

Sie haben Fragen zu unseren Produkten?

Kontaktieren Sie uns hier!


Jetzt Kontaktaufnehmen

Neuigkeiten aus der Produktgruppe

Power Quality – News

Schulungsvideo

»PQMobil« Schulungsvideo 1: Erste Schritte mit der PQ-Box

In diesem Video wird detailliert gezeigt, wie Sie die PQ-Box anschließen und Messungen aufzeichnen können. Anschließend wird die Software WinPQ mobil verwendet, um die Messdaten zu visualisieren, zu analysieren und einen Bericht zu erstellen.

Mehr erfahren

Wissensbeitrag

Differenzstrommessung

In diesem Beitrag erfahren Sie, was Differenzstrommessung & Differenzstromüberwachung sind und warum es wichtig ist, Differenzstrom zu messen.

Mehr erfahren

Wissensbeitrag

Power Quality

Versorgungsqualität sicher im Blick: Definition, Bewertungskriterien, Videoserie und mehr zum Thema Power Quality. Viel Spaß beim Lesen!

Mehr erfahren

Wissensbeitrag

Blindleistung – Definition, Berechnung und Messung

Die Schlüsselrolle der Blindleistung in der Elektrotechnik: Definition, Berechnung, Messung und die Unterschiede zu Wirkleistung und Scheinleistung. Erfahren Sie, wie Blindleistung die Effizienz von Stromnetzen beeinflusst und die Energieübertragung formt.

Mehr erfahren

Wissensbeitrag

Was ist Scheinleistung und wie wird diese berechnet?

Scheinleistung ist ein Begriff aus der Elektrotechnik, der die scheinbare Leistung in einem Wechselstromsystem beschreibt. Sie setzt sich aus der Wirkleistung (die tatsächlich genutzte Leistung) und der Blindleistung (die nicht für die Arbeit genutzte Leistung) zusammen. Die Einheit der Scheinleistung ist Voltampere (VA).

Mehr erfahren

Infobrief

Info-Brief Nr. 24: Integrationsleitfaden zur Vermessung einer Erzeugungsanlage (EZA) nach VDE-AR 4110 und VDE-AR 4120

Auch nach dem Ablauf der Übergangsfristen zur Zertifizierung von Erzeugungsanlagen (EZA) nach ...

Mehr erfahren

Infobrief

Info-Brief Nr. 23: Richtung von Harmonischen Verursacher von Harmonischen im Energienetz

Die Leistungsflussrichtung von Oberschwingungen ist durch das Vorzeichen...

Mehr erfahren

Infobrief

Info-Brief Nr. 25: Definition der Leistungsmessgrößen nach den Normen DIN 40110-2 und IEEE 1459

Das Angebot an elektronischen Messmitteln zur digitalen Messung von Leistungsgrößen ist...

Mehr erfahren

Infobrief

Info-Brief Nr. 19: Die Bewertung der Spannungsqualität und Erfassung von Netzstörungen im Mittelspannungsnetz

Das Interesse für eine permanente Überwachung der Spannungsqualität im Mittelspannungsnetz nimmt...

Mehr erfahren

Infobrief

Info-Brief Nr. 8: Scheinleistung und Blindleistung in Drehstromnetzen

Das Angebot an elektromechanischen und elektronischen Messmitteln in Analog- und Digitaltechnik zur...

Mehr erfahren

Infobrief

Info-Brief Nr. 5: Verlagerungsspannung im Drehstromnetz

Bei symmetrischem Netzbetrieb und Ungleichheit der Impedanzen in der Verbraucherschaltung sind...

Mehr erfahren

Applikationsbericht

Ferraris Zähler vs. Digital Zähler

In diesem Fachbericht wird die Analyse einer Leistungsmessung bei einem großen Industriekunden durchgeführt. Der Kunde verzeichnet sehr große Ströme und Spannungen der fünften Harmonischen während der Produktionszeit, was zu einer schlechten Spannungsqualität führt.

Mehr erfahren

Applikationsbericht

Winkelbestimmung von Spannungs- und Stromharmonischen in der Praxis

Heute gibt es kaum mehr Verbraucher, welche einen rein sinusförmigen Strom aus dem Energienetz beziehen. Sobald eine Anlage einen Strom nicht sinusförmig bezieht, sind zusätzlich zur Grundschwingung, Stromharmonische vorhanden. Diese Stromharmonischen erzeugen über die Netzimpedanz im Netz entsprechende Spannungsabfälle und somit Spannungsharmonische.

Mehr erfahren

Applikationsbericht

Alles Supra bei Ihnen im Netz?

Die heutigen Geräte und Betriebsmittel wie Schaltnetzteile, durch Frequenzumrichter geregelte Antriebe, Ladeeinrichtungen für E-Mobile oder LED-Beleuchtungen arbeiten intern mit hohen Taktfrequenzen, um Leistungen effizient zu regeln. Diese können sowohl zu leitungsgebundenen als auch zu feldgebundenen (eingekoppelten) Beeinflussungen im Energienetz führen. In diesem Fachbericht erläutern wir Ihnen, wie Sie diese Verursacher von Störeffekten im Netz mit geeigneter Messtechnik detektieren können.

Mehr erfahren

Applikationsbericht

Power Quality Messung/Analyse: Tipps und Tricks II

Nützliche Tipps & Tricks im Umgang mit Power Quality Messgeräten und typische Anwenderfehler – Teil zwei! Dieser Artikel bietet tiefere Einblicke in die Power Quality sowie praktische Tipps und Anwendungsbeispiele für die Analyse der Netzqualität.

Mehr erfahren

Applikationsbericht

Power Quality Messung/Analyse: Tipps und Tricks I

Praktische Tipps & Tricks im Umgang mit Power Quality Messgeräten und typische Anwenderfehler - jetzt in unserem zweiteiligen Beitrag! In diesem Beitrag erhalten Sie wertvolle Tipps und Tricks zur Durchführung von Power-Quality-Messungen. Es wird erläutert, welche Anschlussfehler gemacht werden können und welche Vorüberlegungen vor dem Einsatz eines Messgeräts getroffen werden sollten.

Mehr erfahren

Applikationsbericht

Vier Wege, um Strom zu messen

Im folgenden Fachbericht werden verschiedene Methoden zur Messung von Strom untersucht. Es wird darauf eingegangen, wie Ströme mithilfe von Netzanalysatoren und Stromzangen erfasst werden. Weiter findet ein Vergleich der jeweiligen Vorteile und Nachteile der verschiedenen Mess-Technologien und -methoden statt.

Mehr erfahren

Applikationsbericht

Cos phi vs. Leistungsfaktor – Theorie

In diesem Fachbericht wird die Unterscheidung zwischen dem Leistungsfaktor und dem Cosinus Phi diskutiert. Der Cosinus Phi, früher häufig als das Verhältnis von Wirkleistung zu Scheinleistung bekannt, hat heute bei vielen Verbrauchern eine andere Bedeutung als in der Vergangenheit.

Mehr erfahren

Applikationsbericht

Netzrückwirkungen stören Schutzeinrichtungen

In einem Foto- und Designstudio, angesiedelt in einem großen Industriepark, löste ein Fehlerstrom-Schutzschalter (RCD) sehr häufig aus. Aufgrund der permanenten Stromausfälle konnte diese Firma an vielen Tagen pro Monat nicht vernünftig arbeiten. Lesen Sie hier, wie wir dieses Problem beheben konnten.

Mehr erfahren

Applikationsbericht

Normgerecht Probleme der Spannungsqualität messen und auswerten

Der folgende Bericht zeigt auf, wie durch das Zusammenspiel einer PQ-Box und der Software WinPQ mobil die Bewertung der Störpegel an einer Messstelle im Vergleich zu zugelassenen Netznormen möglich ist.

Mehr erfahren

Applikationsbericht

Messbericht: Ausfall von Produktionsmaschinen bzw. Auslösung eines Leistungsschalters infolge von Spannungseinbrüchen

In einem Industrienetz kommt es durch das Auslösen von Leistungsschaltern gelegentlich zu Ausfällen von großen Produktionsmaschinen. Der Betreiber des Industrienetzes möchte durch eine Messung mit einem unserer Power Quality Netzanalysatoren die Ursache des Auslösens der Leistungsschalter ermitteln.

Mehr erfahren

Applikationsbericht

Spannungsqualität messen: die 3. Harmonische in der Praxis

Dieser Applikationsbericht soll anhand einer typischen Messung im Netz veranschaulichen und aufzeigen, was bei Power Quality Messungen zu beachten ist.

Mehr erfahren

Applikationsbericht

Power Quality Messungen: Der N-Leiter & harmonische Oberschwingungen

Was sind Harmonische überhaupt, wie kommen diese zustande und welchen Einfluss haben sie auf den Neutralleiter?

Mehr erfahren

Applikationsbericht

Wandel in der Energietechnik – Teil 2

In diesem Beitrag, der gemeinsam mit dem Portal Schutztechnik.com entstanden ist, wird der aktuelle Wandel in der Energietechnik diskutiert.

Mehr erfahren

Applikationsbericht

Wandel in der Energietechnik – Teil 1

In diesem Beitrag, der gemeinsam mit dem Portal Schutztechnik.com entstanden ist, wird der aktuelle Wandel in der Energietechnik diskutiert.

Mehr erfahren

Kontaktanfrage:



* Pflichtfelder

Ihre Daten werden verarbeitet

a-eberle kontakt newsletter ×

Unsere Seminare &
Webinare

► Hier anmelden!

x