Was ist Leistungsfaktor?

In einem Wechselstromkreis das Verhältnis von Wirkleistung (tatsächlich umgesetzter Leistung) zu Scheinleistung (Effektivwert der Spannung × Effektivwert des Stroms). Er liegt zwischen 0 und 1 und ist bei sinusförmiger Spannung und sinusförmigem Strom gleich cos φ ihrer Phasenverschiebung φ. Bei niedrigem Leistungsfaktor ist für dieselbe Wirkleistung ein größerer Strom nötig, und die Verluste in Leitungen und Transformatoren steigen.

Japanische Bezeichnung: 力率

„Leistungsfaktor“ kommt in 7 Übungsfragen aus 3 Themen vor, z. B. Grundlagen elektrischer Schaltungen und des Elektromagnetismus, Schaltungen der Leistungselektronik, Leistungshalbleiter.

Fachgebiet: Schaltungen der Leistungselektronik

Leistungsfaktor durch Phasenverschiebung

Bei induktiven Lasten wie Motoren eilt der Strom der Spannung nach, und der Leistungsfaktor sinkt. Eine Last mit 1 kVA Scheinleistung und dem Leistungsfaktor 0,8 hat zum Beispiel 800 W Wirkleistung; daneben pendelt Blindleistung zwischen Quelle und Last hin und her. Ein parallel zur Last geschalteter Kondensator kompensiert die induktive Blindleistung und bringt den Leistungsfaktor nahe an 1.

Leistungsfaktor durch Verzerrung der Kurvenform

Ist der Strom nicht sinusförmig, erhöhen Oberschwingungsströme, deren Frequenz von der der Spannung abweicht, den Effektivwert des Stroms, obwohl sie keine mittlere Leistung übertragen. Der Leistungsfaktor ist daher das Produkt aus cos φ der Grundschwingung und dem Verhältnis Effektivwert der Grundschwingung ÷ Effektivwert des Gesamtstroms. Gleichrichterschaltungen mit Glättungskondensator haben einen niedrigen Leistungsfaktor, weil der Strom pulsförmig fließt, auch wenn seine Phasenverschiebung klein ist.

Warum man den Leistungsfaktor verbessert

Eine Last, die an 100 V 800 W aufnimmt, braucht bei einem Leistungsfaktor von 0,8 einen Strom von 10 A, bei einem Leistungsfaktor von 1 nur 8 A. Da die Leitungsverluste proportional zum Quadrat des Stroms sind, betragen sie beim Leistungsfaktor 0,8 etwa das 1,56-Fache derer beim Leistungsfaktor 1. Für die Oberschwingungen im Eingangsstrom von Geräten legen Normen wie IEC 61000-3-2 Grenzwerte fest, was ein weiterer Grund für die Leistungsfaktorkorrektur in Netzteilen ist.

Jetzt üben: Fragen zu Leistungsfaktor

Welcher Ausdruck gibt in einem Wechselstromkreis mit der Wirkleistung P [W] und der Scheinleistung S [VA] den Leistungsfaktor an?

AP / S
BS / P
CP × S

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Antwort: A. P / S

Der Leistungsfaktor ist das Verhältnis P/S der Wirkleistung P zur Scheinleistung S (Effektivwert der Spannung × Effektivwert des Stroms). Bei sinusförmigen Größen lässt er sich mit der Phasenverschiebung φ zwischen Spannung und Strom als cos φ schreiben. Bei S = 2000 VA und P = 1800 W beträgt der Leistungsfaktor zum Beispiel 0,9. Ist der Leistungsfaktor niedrig, braucht man für dieselbe Wirkleistung einen größeren Strom, und die Verluste in Leitungen und Transformatoren steigen.

Wie verbessert man im Allgemeinen den Leistungsfaktor eines Stromkreises mit einer induktiven Last wie einem Motor?

AMan schaltet einen Kondensator parallel zur Last
BMan schaltet eine Induktivität parallel zur Last
CMan erhöht die Frequenz der Versorgungsspannung

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Antwort: A. Man schaltet einen Kondensator parallel zur Last

Bei einer induktiven Last eilt der Strom der Spannung nach, und es entsteht induktive Blindleistung. Ein Kondensator erzeugt Blindleistung mit umgekehrtem (kapazitivem) Vorzeichen; schaltet man ihn parallel zur Last, wird die Blindleistung kompensiert, der aus der Quelle fließende Strom sinkt, und der Leistungsfaktor nähert sich 1. Die Spannung an der Last und die von ihr aufgenommene Wirkleistung ändern sich nicht. In den Netzanschlussanlagen von Fabriken werden solche Kondensatoren zur Blindleistungskompensation eingesetzt; eine Überkompensation macht den Leistungsfaktor jedoch kapazitiv und kann die Spannung ansteigen lassen.

Häufige Fragen

Sind Leistungsfaktor und Wirkungsgrad dasselbe?

Nein. Der Wirkungsgrad ist Ausgangsleistung ÷ Eingangsleistung und gibt den Anteil der Verluste an. Der Leistungsfaktor ist Eingangswirkleistung ÷ Scheinleistung und gibt an, welcher Anteil des fließenden Stroms zur Leistungsübertragung beiträgt. Es gibt Geräte mit hohem Wirkungsgrad und trotzdem niedrigem Leistungsfaktor.

Kann der Leistungsfaktor größer als 1 sein?

Nein. Die Wirkleistung kann die Scheinleistung nicht übersteigen, daher liegt der Leistungsfaktor zwischen 0 und 1. Ob der Strom der Spannung nach- oder voreilt, unterscheidet man mit den Bezeichnungen „induktiver Leistungsfaktor“ und „kapazitiver Leistungsfaktor“.

„Leistungsfaktor“ in den Erläuterungen

Der Leistungsfaktor ist das Verhältnis P/S der Wirkleistung P zur Scheinleistung S (Effektivwert der Spannung × Effektivwert des Stroms).
Welcher Ausdruck gibt in einem Wechselstromkreis mit der Wi…
Ein Kondensator erzeugt Blindleistung mit umgekehrtem (kapazitivem) Vorzeichen; schaltet man ihn parallel zur Last, wird die Blindleistung kompensiert, der aus der Quelle fließende Strom sinkt, und der Leistungsfaktor nähert sich 1.
Wie verbessert man im Allgemeinen den Leistungsfaktor eines…
Der Leistungsfaktor ist die Wirkleistung geteilt durch die Scheinleistung (Effektivwert der Spannung × Effektivwert des Stroms).
Warum wird in einem Netzteil, dessen Eingangsstrom nicht si…
Der Strom eilt der Spannung um φ = tan⁻¹(40/30) ≈ 53° nach, und der Leistungsfaktor ist cos φ = 30/50 = 0,6.
Wie groß ist der Betrag der Impedanz einer Schaltung, in de…
Q = √(1000² − 800²) = √360.000 = 600 var, und der Leistungsfaktor ist P/S = 0,8.
Eine Wechselstromlast hat eine Wirkleistung von 800 W und e…