Blindleistung

Effizienz und Stabilität des Stromnetzes erhöhen

Was ist Blindleistung/Blindleistungskompensation?

Offizielle Definition: Gemäß der VDE-Norm 0100-710 bezieht sich Blindleistung auf diejenige elektrische Leistung, die zwischen den Phasenleitern und dem Neutralleiter eines Drehstromnetzes hin- und herfließt, jedoch nicht in der Lage ist, mechanische Arbeit zu verrichten. Sie wird in Volt-Ampere-Reaktiv (VAR) gemessen.

Blindleistungskompensation ist der Prozess, bei dem die im Netz vorhandene Blindleistung ausgeglichen wird, um die Effizienz und Stabilität des Stromnetzes zu erhöhen. Dies geschieht oft mithilfe von Kondensatoren, die gegenläufige Blindleistung erzeugen und somit die Gesamtblindleistung im Netz reduzieren. Diese Kompensation ist wichtig, um den Leistungsfaktor des Netzes zu verbessern, wodurch weniger Blindleistung im Netz zirkuliert. Das Leistungsdreieck ist ein Konzept, das den Zusammenhang zwischen Wirkleistung, Scheinleistung und Blindleistung darstellt.

Beispiel: Nehmen wir an, ein Industrieunternehmen betreibt mehrere große Elektromotoren, die erhebliche induktive Blindleistung erzeugen. Ohne Kompensation müsste der Energieversorger diese zusätzliche Blindleistung bereitstellen, was zu erhöhten Netzverlusten und niedrigerer Effizienz führen würde. Durch den Einsatz von Kondensatoren zur Kompensation kann das Unternehmen seine eigene Blindleistung erzeugen und so die Belastung des Netzes reduzieren.

Die Kompensation von Blindleistung bietet eine Vielzahl von Vorteilen, einschließlich der Verbesserung der Energieeffizienz, der Senkung von Energiekosten und der Erhöhung der Netzstabilität. In vielen Ländern sind bestimmte Vorschriften zur Blindleistungskompensation vorgeschrieben, um die Qualität und Stabilität des Stromnetzes sicherzustellen.

Insgesamt spielt die Blindleistung und deren Kompensation eine entscheidende Rolle in der modernen Energieversorgung und ist von großer Bedeutung für Unternehmen und Energieversorgungsunternehmen, um Blindstrom zu vermeiden und das Netz effizient zu gestalten.

Was ist der Unterschied zu Wirkleistung/Scheinleistung?

Die Begriffe Wirkleistung, Scheinleistung und Blindleistung sind grundlegende Konzepte in der Elektrotechnik, die den Zusammenhang zwischen verschiedenen Arten von elektrischer Leistung beschreiben.

Wirkleistung (P):
Wirkleistung wird in Watt (W) gemessen.
Sie repräsentiert die tatsächliche elektrische Leistung, die von einem Gerät oder einer Anlage in einem Stromnetz genutzt wird, um Arbeit zu verrichten. Mit anderen Worten, es ist die nützliche Leistung, die beispielsweise einen Motor antreibt, Licht erzeugt oder elektrische Geräte betreibt.

Scheinleistung (S):
Scheinleistung wird in Volt-Ampere (VA) gemessen.
Sie ist die gesamte elektrische Leistung, die in einem Stromnetz vorhanden ist, unabhängig davon, ob sie tatsächlich zur Durchführung von Aufgaben verwendet wird. Die Scheinleistung setzt sich aus der Wirkleistung und der Blindleistung zusammen und kann als „scheinbare Leistung“ betrachtet werden.

Blindleistung (Q):
Blindleistung wird ebenfalls in Volt-Ampere-Reaktiv (VAR) gemessen.
Sie repräsentiert die elektrische Leistung, die zwischen den Phasenleitern und dem Neutralleiter eines Drehstromnetzes hin- und herfließt, jedoch keine mechanische Arbeit verrichtet. Sie entsteht in erster Linie durch induktive und kapazitive Lasten und ist für den Betrieb dieser Lasten erforderlich, trägt jedoch nicht zur Durchführung von Aufgaben bei.

blindleistung-scheinleistung-wirkleistung-leistungsdreieck

In einem Leistungsdreieck, das die Beziehungen zwischen Wirkleistung, Scheinleistung und Blindleistung visuell darstellt, entspricht die Wirkleistung der horizontalen Seite des Dreiecks, die Scheinleistung ist die Hypotenuse des Dreiecks, und die Blindleistung ist die vertikale Seite des Dreiecks.

Ein Wirkleistungsmessgerät ist ein Instrument, das die tatsächliche Wirkleistung in einer elektrischen Schaltung misst. Es hilft bei der Überwachung und Steuerung des Energieverbrauchs.

Zusammengefasst: Wirkleistung ist die tatsächliche, nutzbare Leistung, Scheinleistung ist die gesamte Leistung im Netz, und Blindleistung ist die Leistung, die nicht zur Durchführung von Aufgaben verwendet wird, sondern für den Betrieb von induktiven und kapazitiven Lasten notwendig ist. Diese Konzepte sind wichtig, um die Effizienz und Stabilität von Stromnetzen zu verstehen und zu optimieren. Ein Wirkleistungsmessgerät ist ein nützliches Instrument zur Überwachung des Energieverbrauchs.

Tiefere Einblicke in die Berechnung und das Zusammenwirken von Wirk-, Schein- und Blindleistung erhalten Sie in unserem Info-Brief 25 »Definition der Leistungsmessgrößen nach den Normen DIN 40110-2 und IEEE 1459«:

INFO-BRIEF Nr. 25

Definition der Leistungsmessgrößen nach den Normen DIN 40110-2 und IEEE 1459

Wie wird die Blindleistung berechnet?

Die Berechnung der Blindleistung erfolgt mithilfe der folgenden Formel:

Blindleistung (Q) = Scheinleistung (S) × sin(φ)
Q: Blindleistung in Volt-Ampere-Reaktiv (VAR).
S: Scheinleistung in Volt-Ampere (VA).
φ: Phasenverschiebungswinkel zwischen Wirkleistung (P) und Scheinleistung (S).

Die Phasenverschiebungswinkel (φ) ist entscheidend, um die Menge der Blindleistung zu berechnen. Er kann positiv oder negativ sein, je nachdem, ob es sich um induktive oder kapazitive Lasten handelt.

Für induktive Lasten (z. B. Elektromotoren) ist der Phasenverschiebungswinkel positiv, da die Blindleistung hinter der Wirkleistung zurückbleibt. In diesem Fall beträgt die Formel:

Q = S × sin(φ)

Für kapazitive Lasten (z. B. Kondensatoren) ist der Phasenverschiebungswinkel negativ, da die Blindleistung der Wirkleistung vorauseilt. In diesem Fall beträgt die Formel:

Q = -S × sin(φ)

Bei der Blindleistungskompensation wird versucht, den Phasenverschiebungswinkel (φ) zu minimieren, um die Blindleistung zu reduzieren. Dies kann durch den gezielten Einsatz von Kondensatoren oder anderen Kompensationsgeräten erreicht werden.

Zusätzlich zur Formel für die Berechnung der Blindleistung gibt es Blindleistungskompensationsrechner, die bei komplexeren Systemen und Netzwerken verwendet werden können, um die genaue Menge der benötigten Kompensation zu ermitteln.

Die Einheit der Blindleistung ist Volt-Ampere-Reaktiv (VAR), die die Menge der elektrischen Leistung angibt, die in einem System für die Bildung von elektromagnetischen Feldern in induktiven Geräten oder zur Kompensation von kapazitiven Lasten benötigt wird. Dies ist ein wichtiger Aspekt in der Elektrotechnik, um die Effizienz und Stabilität von Stromnetzen sicherzustellen.

Wie wird die Blindleistung gemessen?

Die Messung der Blindleistung in Mehrleiter-Stromkreisen ist in den Normen DIN 40110-2 (Deutschland) bzw. IEEE 1459 (International) definiert. Die Berechnungsverfahren dieser Normen bilden somit die Grundlage für Leistungsberechnungen bei modernen Messgeräten. Alle Geräte der A. Eberle-Produktpalette – von festinstallierten Geräten über die mobilen Netzanalysatoren – verwenden das Berechnungsverfahren nach DIN 40110-2.

Blindleistung messen ist ein wichtiger Schritt, um den Zustand und die Effizienz eines elektrischen Systems zu bewerten. Bei der Messung der Blindleistung sind verschiedene Methoden und Instrumente verfügbar. Hier sind einige wichtige Aspekte bei der Messung der Blindleistung:

Wattmeter
Ein Wattmeter ist ein elektrisches Messgerät, das zur Bestimmung der Wirkleistung (in Watt) in einem elektrischen System verwendet wird. Die Wirkleistung kann gemessen werden, indem ein Wattmeter in die Schaltung eingefügt wird. Um die Blindleistung zu berechnen, kann die Formel für die Berechnung der Blindleistung (Q) verwendet werden:

Blindleistung (Q) = √(S^2 – P^2), mit:

  • Q: Blindleistung in Volt-Ampere-Reaktiv (VAR).
  • S: Scheinleistung in Volt-Ampere (VA).
  • P: Wirkleistung in Watt (W).

Oszilloskop
Bei der Messung von Blindleistung mit einem Oszilloskop werden Spannungs- und Stromwellenformen analysiert. Die Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom kann am Oszilloskop abgelesen werden. Ein Phasenverschiebungswinkel, der nicht null ist, deutet auf das Vorhandensein von Blindleistung hin. Die Größe der Blindleistung kann mithilfe von Trigonometrie berechnet werden.

Drehstrommessung
In Drehstromsystemen werden spezielle Drehstrom-Wattmeter oder Drehstrom-Leistungsmesser eingesetzt, um Wirkleistung und Scheinleistung in den drei Phasen zu messen. Die Messung der Blindleistung in Drehstromsystemen erfordert in der Regel komplexere Instrumente und Berechnungen, da die Phasenverschiebung zwischen den Phasen berücksichtigt werden muss.

Schaltungsmethoden
In einigen Fällen werden spezielle Schaltungen verwendet, um die Blindleistung zu messen. Beispielsweise kann die Blindleistungsmessung mit Kompensationskondensatoren durchgeführt werden, um die Menge der Blindleistungskompensation zu ermitteln. Hierbei werden Kondensatoren hinzugefügt oder entfernt, um den Phasenverschiebungswinkel zu minimieren und somit die Blindleistung zu kompensieren.

Es ist wichtig, die korrekten Messinstrumente und -verfahren je nach den spezifischen Anforderungen des Systems auszuwählen. Die Messung der Blindleistung ist entscheidend, um sicherzustellen, dass elektrische Anlagen effizient und stabil betrieben werden, und um die Notwendigkeit der Blindleistungskompensation zu ermitteln.

Blindleistung messen mit Netzanaysatoren von A. Eberle

Mit unserer Power Quality Geräte-Familie, bestehend aus mobilen Netzanalysatoren und festinstallierten Power Quality Messgeräten, haben Sie die einzigartige Möglichkeit, Blindleistung in verschiedene eigenständige Messgrößen zu untergliedern und auszugeben:

  • Grundschwingungs-Verschiebungsblindleistung
  • Oberschwingungs-Verschiebungsblindleistung
  • Verzerrungsblindleistung
  • Modulationsblindleistung
  • Unsymmetrieblindleistung

Insbesondere bei der Bewertung des Einsatzes von Filtertechnologien, wie z.B. harmonische Filter zur Reduktion der Verzerrungsblindleistung, können erhebliche Kostenreduktionen erzielt werden. Dies kann sich auch positiv auf die Netzentgelte auswirken. An Verknüpfungspunkten zwischen Industrienetz und öffentlicher Netzversorgung empfehlen wir daher den Einsatz einer festinstallierten Power Quality/Netzanalyse-Lösung wie unserem fest installierten Power Quality Analysator mit Störschreiberfunktion »PQI-DE«. Das Messgerät kann die verschiedenen Arten von Blindleistung sowohl lokal vor Ort speichern als auch remote an verschiedene Schnittstellen übertragen (siehe Abbildung).

Um die verschiedenen Leistungsarten je nach Anwendungsfall korrekt zu messen, bieten unsere mobilen Power Quality Analysatoren (PQ-Box 150, 200 und 300) eine Vielzahl von Einstellungsmöglichkeiten.

Während Verschiebungs- und Verzerrungsblindleistung grundsätzlich an jedem Messpunkt eine Aussagekraft haben, müssen bei der Messung von Unsymmetrieblindleistung die Randbedingungen der Messung sowie die Position der Messstelle im Netz berücksichtigt werden, um sinnvolle Messdaten zu erhalten.

Beispielhaft ist dazu in folgender Abbildung schematisch ein 400 V Ortsnetz mit Ortsnetztransformator, überwiegend einphasig angeschlossenen Haushalten sowie einem Industriebetrieb mit zweiphasiger Last (z.B. Schweißgerät) dargestellt.

Entscheidend für die Messung von Unsymmetrieblindleistung ist demnach vor allem die Länge des Leitungsabschnittes, welcher durch die gemessene Blindleistung belastet wird. Bei einer Messung in einem Wohngebiet, in welchem die einzelnen Lasten überwiegend einphasig angeschlossen sind, treten sehr große Unsymmetrien auf. Die messbare Unsymmetrieblindleistung hat hier jedoch keine große Aussagekraft, da sich die Belastung des Dreiphasensystems an jedem nahegelegenen Knotenpunkt ändert und somit kein größerer Netzabschnitt unsymmetrisch belastet wird.

Sinnvoll ist die Betrachtung von Unsymmetrieblindleistung dagegen bei Messungen direkt am Ortsnetztransformator oder an langen Versorgungsleitungen für unsymmetrische Lasten.

blindleistung-berechnung-leistungsmessung-praxis

Die Messung von Modulationsblindleistung ist sehr stark von dem gewählten Messintervall abhängig. Eine Berücksichtigung dieser Blindleistung für die Berechnung der kollektiven Scheinleistungen ist deshalb nur sinnvoll, wenn Lasten mit periodisch schwankender Leistung vorhanden sind und die Modulationsfrequenz der Leistungsschwankung bekannt ist

Beispiele/Konkrete Anwendungsfälle von Blindleistungskompensation

Photovoltaikanlagen (PV-Anlagen):

  • Die Blindleistungskompensation in PV-Anlagen mit Wechselrichter ist entscheidend, um die Auswirkungen von kapazitiver oder induktiver Blindleistung, die durch Wechselrichter erzeugt werden, zu minimieren. Hierbei kann der Wechselrichter so eingestellt werden, dass die Blindleistung auf ein optimales Niveau reduziert wird.

Industrielle Anlagen mit Elektromotoren:

  • In industriellen Anlagen erzeugen Elektromotoren oft induktive Blindleistung. Die Blindleistungskompensation durch den Einsatz von Kondensatoren oder anderen Kompensationsgeräten ist wichtig, um Energieeffizienz zu steigern und Überlastungen zu vermeiden.

Wechselrichter in der Energietechnik:

  • Bei der Blindleistungskompensation in Wechselrichtern geht es darum, die Einstellungen so anzupassen, dass die erzeugte Blindleistung optimiert wird. Dies trägt dazu bei, Netzschwankungen zu minimieren und die Netzqualität zu verbessern.

Privathaushalte mit elektrischen Antrieben:

  • Elektrische Haushaltsgeräte können Blindleistung erzeugen. Die Blindleistungskompensation im Privathaushalt steigert den Leistungsfaktor und optimiert die Effizienz des Stromnetzes.

Kabel und Übertragungsleitungen:

  • Bei der Übertragung elektrischer Energie über große Entfernungen entsteht kapazitive Blindleistung in den Kabeln. Mit verdrosselten Blindleistungskompensatoren kann die Netzqualität verbessert und die Übertragungseffizienz gesteigert werden.

Drehstrommotoren:

  • In industriellen Anwendungen mit Drehstrommotoren ist die Blindleistungskompensation wichtig, um den Leistungsfaktor zu optimieren und Netzverluste zu minimieren.

Reihenschaltung von Blindleistungskompensatoren:

  • In komplexen industriellen Netzwerken kann die Reihenschaltung von Kompensationsgeräten verwendet werden, um die Blindleistung zu kompensieren und die Stabilität des Systems zu gewährleisten.

Blindleistungskompensation im Privathaushalt:

  • Die Blindleistungskompensation im Privathaushalt ist relevant, um den Energieverbrauch zu optimieren und die Gesamteffizienz des Stromnetzes zu verbessern.

Verdrosselte Blindleistungskompensation:

  • Die verdrosselte Blindleistungskompensation ist eine spezifische Methode, um die Effekte von Blindleistung in elektrischen Systemen zu minimieren.

Die Blindleistungskompensation ist in verschiedenen Anwendungen von großer Bedeutung, um die Qualität und Effizienz von Stromnetzen zu verbessern, Netzverluste zu minimieren und die Gesamteffizienz elektrischer Systeme zu optimieren.

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