Führender vs. nachfolgender Leistungsfaktor | Erklärung der Phasendifferenz

Führende und nachfolgende Leistungsfaktoren sind zwei wichtige Konzepte im Zusammenhang mit dem Leistungsfaktor in Wechselstrom-Elektrizitätssystemen. Der Hauptunterschied liegt in der Phasenbeziehung zwischen Strom und Spannung: Beim führenden Leistungsfaktor führt der Strom die Spannung, während beim nachfolgenden Leistungsfaktor der Strom hinter der Spannung zurückbleibt. Dieses Verhalten hängt von der Art der Last im Schaltkreis ab.

Was ist der Leistungsfaktor?

Der Leistungsfaktor ist ein entscheidender dimensionsloser Parameter in Wechselstrom-Elektrizitätssystemen, sowohl für Einphasen- als auch Dreiphasenschaltungen. Er wird definiert als das Verhältnis von Wirkleistung zu Scheinleistung.

In Gleichstromschaltungen kann die Leistung direkt durch Multiplikation von Spannungs- und Stromwerten bestimmt werden. In Wechselstromschaltungen ergibt dieses Produkt jedoch die Scheinleistung, nicht die tatsächlich verbrauchte Leistung. Dies liegt daran, dass die gesamte zugeführte Leistung (Scheinleistung) nicht vollständig genutzt wird; der Teil, der nützliche Arbeit leistet, wird als Wirkleistung bezeichnet.

Einfach ausgedrückt ist der Leistungsfaktor der Kosinus des Phasenwinkels zwischen Spannung (V) und Strom (I). Bei linearen Lasten in Wechselstromschaltungen reicht der Leistungsfaktor von -1 bis 1. Ein Wert, der näher an 1 liegt, deutet auf ein effizienteres und stabileres System hin.

Definition des führenden Leistungsfaktors

Ein führender Leistungsfaktor tritt auf, wenn eine kapazitive Last im Schaltkreis vorhanden ist. Bei rein kapazitiven oder widerstands-kapazitiven (RC) Lasten führt der Strom die Netzspannung, was zu einem führenden Leistungsfaktor führt.

Da der Leistungsfaktor das Verhältnis von Wirkleistung zu Scheinleistung ist – und bei sinusförmigen Wellenformen der Kosinus des Phasenwinkels zwischen Spannung und Strom –, erzeugt der führende Strom einen positiven Phasenwinkel, was einen führenden Leistungsfaktor ergibt.

Wie aus der obigen Abbildung ersichtlich, schneidet der Strom $I$ die Zeitachse bei Null früher in Phase als die Spannung $V$. Diese Bedingung wird als führender Leistungsfaktor bezeichnet. Die folgende Abbildung zeigt das Leistungsdreieck für einen führenden Leistungsfaktor.

Definition des nachfolgenden Leistungsfaktors

Ein nachfolgender Leistungsfaktor in einem Wechselstromkreis tritt auf, wenn die Last induktiver Natur ist. Dies liegt daran, dass bei einer rein induktiven oder widerstands-induktiven Last eine Phasendifferenz zwischen Spannung und Strom besteht, sodass der Strom hinter der Spannung zurückbleibt. Daher wird der Leistungsfaktor solcher Schaltungen als nachfolgend bezeichnet.

Betrachten Sie die Wellenformen der Netzspannung und des Stroms durch eine rein induktive Last:

Hier schneidet der Strom den Nullpunkt der Zeitachse in einer späteren Phase als die Spannung, was zu einem nachfolgenden Leistungsfaktor führt. Das Leistungsdreieck für einen nachfolgenden Leistungsfaktor ist unten dargestellt:

Zusammenfassung

Aus der oben beschriebenen Diskussion kann geschlossen werden, dass idealerweise Spannung und Strom in Phase angenommen werden, was einem Phasenwinkel von 0° zwischen ihnen entspricht. In der Praxis existiert jedoch eine Phasendifferenz, die durch den Leistungsfaktor des Schaltkreises repräsentiert wird.