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Physik – Verknüpfung von elektrischen und magnetischen Feldern

Wirkleistung, Blindleistung, Scheinleistung

Blindleistung

Weil die Leistung zum Aufbau eines Feldes bei dessen Abbau wieder ans Netz zurückgegeben wird (von Verlusten abgesehen) bezeichnet man diese Leistung als Blindleistung. Ein Motor beispielsweise baut in den Spulen dauernd Magnetfelder auf und ab. Der immer wiederkehrende Feldaufbau belastet das Netz jedes Mal mit Blindleistung. Die Blindleistung wird in Voltampere Reaktiv (var) ausgedrückt.

Die Begriffe beziehen sich auf Wechselstromkreise. In diesen ist das Induktionsgesetz gültig, d.h. Spulen und Kondensatoren können in Form von Magnetfeldern und elektrischen Feldern Energie speichern (und wieder abgeben). Je mehr Spulen oder Kondensatoren in einem Netz betrieben werden, desto mehr Leistung wird für den Aufbau der Felder benötigt. Allerdings: es ist nicht die absolute Anzahl von Induktivitäten und Kapazitäten entscheidend, sondern der induktive oder kapazitive „Überhang“ (eine Spule und ein Kondensator mit äquivalenten elektrischen Eigenschaften kompensieren sich gegenseitig).

Wirkleistung

Daneben konsumiert der Motor Leistung, die er in mechanische Arbeit umsetzt (der eigentliche Einsatzzweck des Motors). Diese Leistung wird als Wirkleistung bezeichnet und in Watt (W) ausgedrückt.

Scheinleistung

Für die Dimensionierung und das Management eines Netzes – also aus Versorgersicht – sind beide Leistungskomponenten bedeutsam (und kostenwirksam). Die Gesamtleistung, die bereitgestellt werden muss – Wirkleistung plus Blindleistung – bezeichnet man als Scheinleistung. Sie wird in Voltampere (VA) ausgedrückt.

Ursache Phasenverschiebung

Da im Falle von Spulen und Kondensatoren sowohl der Feldaufbau als auch der Feldabbau eine gewisse Zeit benötigt, verschieben sich Stromfluss und Spannungsverlauf zeitlich gegeneinander. Bei induktiven Lasten (Spulen) eilt der Strom der Spannung nach, bei kapazitiven Lasten (Kondensator) eilt die Spannung dem Strom nach. Diese Phasenverschiebungen (ϕ, ausgedrückt in Winkelgrad) bewirken, dass der Durchschnittswert der Wirkleistung gegenüber Stromkreisen, die in Phase sind, sinkt. Bei 90° Phasenverschiebung ist die Wirkleistung Null; alle Energie wird in den Auf- und Abbau von Blindleistung investiert (Figur links). Sobald der Verbraucher mit einer Last betrieben wird, kann das System nicht mehr mit reiner Blindleistung (im Leerlauf) betrieben werden (ϕ beträgt dann nicht mehr genau 90°). Der Gegenpol zum reinen Blindleistungsbetrieb ist der Betrieb in reiner Wirkleistung. Das ist der Fall, wenn nur ohmsche Verbraucher, die keine Phasenverschiebungen bewirken, angeschlossen sind (Figur rechts). 

Blindleistung bei Phasenverschiebung. Die Flächen unterhalb der schwarzen Linie stellen die Leistungsaufnahme – oberhalb der Nullachse – und die Leistungsabgabe – unterhalb der Nullachse – dar; bei 90° Phasenverschiebung wie in diesem Beispiel ist die Wirkleistung in der Summe Null (Durschschnittsleitung = gestrichelte Linie). Quelle: FSM
Leistungsdiagramm bei rein ohmschen Verbrauchern. Die Flächen unterhalb der schwarzen Linie – alle oberhalb der Nullachse – stellen die Leistungsaufnahme dar. Die durchschnittliche Leistung (gestrichelte Linie) liegt oberhalb der Nullachse (x-Achse). Quelle: FSM

 

 

Induktiver und kapazitiver Blindwiderstand

Der sog. Blindwiderstand begrenzt den Aufbau des Wechselstroms (im Fall einer Spule) bzw. der Wechselspannung (im Fall eines Kondensators) durch Aufbau einer Gegenspannung bzw. eines Gegenstroms (diese verursachen die Phasenverschiebungen zwischen Spannung und Strom). Die Grösse des Blindwiderstandes ist abhängig von der Frequenz des Wechselstroms und von den elektrischen Eigenschaften von Spule bzw. Kondensator. Blindwiderstände verbrauchen (von Verlusten abgesehen) keine Energie wie ohmsche Widerstände. Sie belasten aber das Netz, denn das Kraftwerk muss durch mehr Leistung – man nennt sie Blindleistung – die Widerstände kompensieren um die nachgefragte Wirkleistung (für thermische, chemische oder mechanische Arbeit) zu liefern.

Blindleistungskompensation

Grossverbraucher müssen deshalb für diese Blindenergie bezahlen bzw. durch Einsatz von kompensatorischen Blindwiderständen die durch ihre Maschinen verursachten Phasenverschiebungen korrigieren. 

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