Eine der effizientesten Möglichkeiten, Energie zu sparen, ist die Erhöhung des Cosinus phi und die Reduzierung der Blindleistung. Blindleistung ist die Leistung, die Geräte verbrauchen, aber nicht in Bewegung, Wärme oder Licht umwandeln. Diese Energie ist also sozusagen verloren. Wie genau funktioniert das? Die Expert von Sensorfact erklären es in diesem kurzen Text.
Geräte und Maschinen verbrauchen mehr Strom als sie eigentlich brauchen. Ein Teil des verbrauchten Stroms wird tatsächlich in Wärme, Licht oder Bewegung umgewandelt. Dies hängt von der Funktion des Geräts ab. Ein weiterer Teil geht verloren und ist somit verschwendet.
Der Teil des Stroms, der tatsächlich verbraucht wird, ist die Wirkleistung (Pw). Der Teil, der verloren geht, wird als Blindleistung, Blindstrom oder Blindleistung bezeichnet. Diese Leistung wird von dem Gerät also nicht sinnvoll genutzt.
Um ein magnetisches und elektrisches Feld zu erzeugen, ist blendende Energie erforderlich. Dieser Strom wird für das ordnungsgemäße Funktionieren eines Geräts benötigt, aber nicht für seine eigentliche Funktion.
Die Verringerung dieser Blindleistung führt zu Energieeinsparungen. Denn wenn der Anteil der Wirkleistung steigt, ist ein Gerät effizienter. Es wird weniger Energie verschwendet, so dass für den gleichen Betrieb der Maschine weniger Strom benötigt wird.
Die Differenz zwischen der Wirkleistung und der verbrauchten Gesamtleistung (der Leistungsfaktor) wird durch den Kosinus phi ausgedrückt. Der Kosinus phi ist eine Zahl zwischen 0 und 1. Wenn der Kosinus phi 1 ist, werden 100 % der verbrauchten Energie von der Maschine in Bewegung, Licht oder Wärme umgewandelt, es gibt also keine Verschwendung.
Ein Cosinus phi von 0,9 bedeutet, dass 90 % der verbrauchten Leistung in Wirkleistung umgewandelt werden. 10 % des Stroms gehen verloren und sind somit Blindleistung. Je höher der Kosinus phi ist, desto effizientere Geräte werden also eingesetzt. Normalerweise liegt er zwischen 0,6 und 0,9. Das bedeutet, dass 60-90 % des Stroms effektiv genutzt werden.
Die Differenz zwischen der tatsächlich aufgenommenen Leistung und der Scheinleistung ist die Blindleistung. Die Formel lautet also wie folgt:
Blindleistung + tatsächliche Leistung = Scheinleistung
In diesem Fall ist die Scheinleistung also die gesamte von einem Gerät verbrauchte Leistung. Bei einem Kosinus phi von 0,7 macht die Wirkleistung 70 % der Scheinleistung aus. Die Blindleistung beträgt dann 30 % der Scheinleistung.
Um das Verhältnis zwischen Scheinleistung und tatsächlicher Leistung zu verdeutlichen, wird der Vergleich häufig mit einem Bierglas durchgeführt. Das Bierglas symbolisiert das Energiesystem. Das Bier ist die Wirkleistung, der Schaum ist die Blindleistung.
Sowohl eine zu hohe Wirkleistung als auch eine zu hohe Blindleistung können das Bierglas zum Überlaufen bringen. An diesem Punkt wird das Stromnetz also überlastet. Je mehr Blindleistung vorhanden ist, desto mehr Kupfer-, Transformator- und Anschlusskapazität wird benötigt.
Eine Verringerung der Blindleistung (der Schaum) kann dafür sorgen, dass mehr Platz für die Wirkleistung (das Bier) bleibt. So kann mehr Leistung sinnvoll genutzt werden, ohne das Glas zu überfluten.
Viele Netzbetreiber verwenden eine Untergrenze für den Kosinus phi. Denn wenn der Kosinus phi zu niedrig ist, steigt die Spannung in den Versorgungsleitungen. Dadurch entsteht eine große Hitze. Dies kann gefährlich sein und führt zu Überlastung und Verschleiß des Stromnetzes.
Für Spannungen bis zu 50 Kilovolt (kV) liegt die untere Grenze häufig bei 0,85. Bei Spannungen über 50 Kilovolt liegt die Untergrenze bei 0,8. Daher ist es wichtig, einen möglichst hohen Kosinus phi zu erreichen. Der Netzbetreiber kann einen Zuschlag verlangen, wenn der Kosinus phi zu niedrig ist.
Ist der Cosinus phi zu niedrig, entstehen dem Netzbetreiber zusätzliche Kosten, weil er Blindleistung übertragen muss. Einige Netzbetreiber setzen daher sogar einen unteren cos phi-Grenzwert von 0,9 an. Ist sie niedriger, werden zusätzliche Kosten berechnet.
Wenn der Cosinus phi der Unternehmen zu niedrig ist, sinkt der Wirkungsgrad des Stromnetzes der Energieversorger. Dadurch können sie weniger Unternehmen mit denselben Verbindungen bedienen. Größere Transformatoren und mehr Kupfer werden benötigt.
Dadurch entgehen dem Netzbetreiber Einnahmen. Aus diesem Grund wird eine Strafe erhoben. Auf diese Weise wollen die Netzbetreiber die Unternehmen dazu bewegen, Maßnahmen zu ergreifen, wenn der cos phi zu niedrig wird.
Abgesehen davon, dass man schneller zusätzliche Verbindungskapazität benötigt, führt ein zu hoher cos phi daher auch zu höheren Stromkosten. Daher ist es von Vorteil, wenn Sie Ihren cos phi so nahe wie möglich an 1 halten. Auf diese Weise können Sie Ihren Verbrauch selbst erhöhen, ohne einen neuen Anschluss zu benötigen, und riskieren kein Bußgeld.
Neben einem Malus gibt es noch weitere Nachteile eines niedrigen cos phi oder einer zu hohen Blindleistung:
Blendender Strom wird durch Magnetismus in Motoren und Transformatoren sowie durch Kondensatoren in elektronischen Geräten verursacht. Induktionsmotoren zum Beispiel nutzen nur 80-90 % des Stroms sinnvoll. Der Rest wird zur Erzeugung eines Magnetfeldes im Motor verwendet. Es gibt verschiedene Ursachen für Blindleistung.
Häufig sinkt der Kosinus phi auch erheblich, wenn zu viele induktive Geräte an dieselbe Anlage angeschlossen werden. An diesem Punkt kommt es zu einer Phasenverschiebung. Bei einem cos phi von genau 1 gibt es keine Phasenverschiebung und Scheinleistung und tatsächliche Leistung sind gleich.
Wenn die Phasenverschiebung zu groß wird, muss sie eventuell kompensiert werden. Dies geschieht mit Kondensatoren in einer Kondensator Spule. Auf diese Weise werden die Phasenverschiebung und der cos phi auf ein akzeptables Maß reduziert.
Vor allem große Verbraucher leiden unter der Phasenverschiebung. Wenn es viele Kühlgeräte, Anlagen, Maschinen oder Motorsteuerungen gibt, ist eine Phasenverschiebung wahrscheinlicher. Dadurch wird das Stromnetz schneller überlastet.
Je nach Art der Geräte und anderen Bedingungen lassen sich zwei verschiedene Arten von Phasenverschiebungen unterscheiden: induktive Blindleistung und kapazitive Blindleistung.
Bei der induktiven Blindleistung wird Strom benötigt, um die Spulen zu magnetisieren, damit die Geräte funktionieren. Diese Leistung wird als induktive Blindleistung bezeichnet.
Kapazitive Blindleistung tritt vor allem in Organisationen mit viel Elektronik auf, z. B. in Rechenzentren und Krankenhäusern. Die kapazitive Blindleistung entsteht durch kapazitive Lasten.
Neben der Phasenverschiebung können auch Oberschwingungsblindleistungen auftreten. Dies ist auf Geräte zurückzuführen, die nichtlineare Lasten im Stromnetz erzeugen. Diese Geräte verbrauchen den Strom nicht in einer gleichmäßigen Sinuskurve, sondern in unregelmäßigen Impulsen.
Beispiele für diese Geräte sind LED-Beleuchtung, HLK-Systeme und Computer. Die von diesen Geräten erzeugten Impulse bewirken, dass Strom in andere Teile des Stromnetzes zurückfließt. Dies wird als Oberschwingungsverschmutzung bezeichnet und verursacht Blindleistung.
Insgesamt besteht die Blindleistung also aus drei verschiedenen Arten von Blindleistung: induktiv, kapazitiv und harmonisch.
Die induktive Blindleistung kann mit einer Kondensatorbank oder Kondensatorbatterie kompensiert werden. Eine Kondensatorbank gleicht die durch die Magnetisierung der Spulen verursachte Phasenverschiebung aus.
Eine Kondensatorbank liefert den Strom, der für die Magnetisierung der Spulen benötigt wird. Diese Blindleistung muss also nicht mehr aus dem Netz bezogen werden.
Die Vorteile einer Kondensatorbatterie auf einen Blick:
Ein statischer VAR-Generator verhindert die Phasenverschiebung durch „Einspeisung“ von Strom. Dadurch wird der Strom wieder vollständig mit der Spannung gleichgesetzt und der cos phi auf 1 gesetzt. Da der VAR-Generator im richtigen Moment Strom einspeist, wirkt er sowohl gegen induktive als auch kapazitive Blindleistung.
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