Was ist der Leistungsfaktor?
In der Elektrotechnik wird der Leistungsfaktor (LF) eines Wechselstrom-Netzes als das Verhältnis der von der Last absorbierten Arbeitsleistung (in Kilowatt, kW gemessen) zur scheinbaren Leistung (in Kilovolt-Ampere, kVA gemessen), die durch den Schaltkreis fließt, definiert. Der Leistungsfaktor ist eine dimensionslose Zahl im abgeschlossenen Intervall von −1 bis 1.
Der "ideale" Leistungsfaktor beträgt eins (auch als "Einheit" bezeichnet). Dies ist der Fall, wenn es keine reaktive Leistung im Schaltkreis gibt und daher die scheinbare Leistung (kVA) gleich der Wirkleistung (kW) ist. Eine Last mit einem Leistungsfaktor von 1 stellt die effizienteste Belastung der Versorgung dar.
Das ist jedoch nicht realistisch, und der Leistungsfaktor wird in der Praxis weniger als 1 sein. Verschiedene Leistungsfaktorkorrektur-Techniken werden verwendet, um den Leistungsfaktor auf diesen idealen Zustand zu erhöhen.
Um dies besser zu erklären, gehen wir einen Schritt zurück und sprechen über das, was Leistung ist.
Leistung ist die Fähigkeit, Arbeit zu leisten. Im elektrischen Bereich ist elektrische Leistung die Menge an elektrischer Energie, die pro Zeiteinheit in eine andere Form (Wärme, Licht usw.) umgewandelt werden kann.
Mathematisch ist der Leistungsfaktor das Produkt des Spannungsabfalls über dem Element und dem Strom, der durch es fließt.
Betrachten wir zunächst die Gleichstrom-Schaltungen, die nur Gleichspannungsquellen besitzen, verhalten sich Induktivitäten und Kondensatoren im stationären Zustand wie Kurzschlüsse und Offenstellen.
Daher verhält sich der gesamte Schaltkreis wie ein ohmscher Widerstand und die gesamte elektrische Leistung wird in Form von Wärme abgegeben. Hier sind Spannung und Strom in derselben Phase und die gesamte elektrische Leistung wird durch folgende Formel gegeben:
Nun kommen wir zum Wechselstromschaltkreis, hier bieten sowohl Induktor als auch Kondensator einen bestimmten Impedanzwert, der durch folgende Formeln gegeben ist:
Der Induktor speichert elektrische Energie in Form von magnetischer Energie und der Kondensator speichert elektrische Energie in Form von elektrostatischer Energie. Keiner von beiden dissipiert sie. Darüber hinaus gibt es eine Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom.
Wenn wir den gesamten Schaltkreis, bestehend aus einem Widerstand, Induktor und Kondensator, berücksichtigen, besteht eine gewisse Phasendifferenz zwischen der Quellspannung und dem Strom.
Der Kosinus dieser Phasendifferenz wird als elektrischer Leistungsfaktor bezeichnet. Dieser Faktor (-1 < cosφ < 1 ) repräsentiert den Bruchteil der gesamten Leistung, der für nützliche Arbeit verwendet wird.
Der andere Bruchteil der elektrischen Leistung wird in Form von magnetischer oder elektrostatischer Energie in dem Induktor und dem Kondensator gespeichert.
Die Gesamtleistung in diesem Fall lautet:
Dies wird als Scheinleistung bezeichnet und seine Einheit ist VA (Volt-Ampere) und wird mit 'S' bezeichnet. Ein Bruchteil dieser gesamten elektrischen Leistung, der unsere nützliche Arbeit verrichtet, wird als aktive Leistung bezeichnet. Wir bezeichnen sie als 'P'.
P = Aktive Leistung = Gesamtelektrische Leistung.cosφ und ihre Einheit ist Watt.
Der andere Bruchteil der Leistung wird als reaktive Leistung bezeichnet. Reaktive Leistung verrichtet keine nützliche Arbeit, aber sie ist erforderlich, damit die aktive Arbeit getan werden kann. Wir bezeichnen sie mit 'Q' und mathematisch wird sie durch folgende Formel gegeben:
Q = Reaktive Leistung = Gesamtelektrische Leistung.sinφ und ihre Einheit ist VAR (Volt-Ampere reaktiv). Diese reaktive Leistung oszilliert zwischen Quelle und Last. Um dies besser zu verstehen, werden all diese Leistungen in Form eines Dreiecks dargestellt.
Mathematisch gilt S2 = P2 + Q2, und der elektrische Leistungsfaktor ist aktive Leistung / Scheinleistung.
Der Begriff Leistungsfaktor kommt nur in Wechselstromschaltungen vor. Mathematisch ist er der Kosinus der Phasendifferenz zwischen der Quellspannung und dem Strom. Er bezieht sich auf den Bruchteil der gesamten Leistung (Scheinleistung), der für die nützliche Arbeit, genannt aktive Leistung, verwendet wird.
Notwendigkeit der Leistungsfaktorverbesserung
Die reale Leistung wird durch P = VIcosφ gegeben. Der elektrische Strom ist umgekehrt proportional zu cosφ, um bei einer bestimmten Spannung eine bestimmte Menge an Leistung zu übertragen. Je höher der Leistungsfaktor, desto geringer ist der fließende Strom. Ein kleinerer Stromfluss erfordert eine geringere Querschnittsfläche der Leiter und spart somit Leiter und Geld.
Aus der obigen Beziehung sehen wir, dass ein schlechter Leistungsfaktor den fließenden Strom erhöht, was zu einer Zunahme der Kupferverluste führt. Es tritt ein großer Spannungsabfall in Generator, Transformator und Transmissions- und Verteilungsleitungen auf, was zu sehr schlechter Spannungsregelung führt.
Die KVA-Bewertung der Maschinen wird durch einen höheren Leistungsfaktor reduziert, gemäß der Formel:
Dadurch werden Größe und Kosten der Maschine ebenfalls reduziert.
Deshalb sollte der elektrische Leistungsfaktor nahe bei Eins gehalten werden – es ist erheblich kostengünstiger.
Es gibt drei Hauptmethoden zur Verbesserung des Leistungsfaktors:
Kondensatorbank
Synchrone Kondensatoren
Phasenvorschubgeräte
Die Verbesserung des Leistungsfaktors bedeutet, die Phasendifferenz zwischen Spannung und Strom zu reduzieren. Da die meisten Lasten induktiver Natur sind, benötigen sie eine bestimmte Menge an reaktiver Leistung, um zu funktionieren.
Ein Kondensator oder eine Kondensatorbank, die parallel zur Last installiert ist, liefert diese reaktive Leistung. Sie fungieren als lokale Quelle für reaktive Leistung, sodass weniger reaktive Leistung durch die Leitung fließt.
Kondensatorbank reduzieren die Phasendifferenz zwischen der Spannung und dem Strom.
Synchrone Kondensatoren sind Drehstrom-Synchronmotoren ohne Last an ihrer Welle.
Der Synchronmotor hat die Eigenschaft, unter jedem Leistungsfaktor (vorlaufend, nachlaufend oder Eins
