Cos φ und True Power Factor: Leistungsfaktor bei Frequenzumrichtern richtig bewerten

→ Produktkategorie: Elektrische Mess- und Prüfgeräte

 

Ein Frequenzumrichter zeigt auf der Netzseite beispielsweise einen cos φ von 0,98. Trotzdem misst der Leistungsanalysator einen Gesamtleistungsfaktor von nur 0,88. Auf den ersten Blick scheint einer der beiden Werte falsch zu sein. Tatsächlich können beide Messwerte gleichzeitig korrekt sein.

Der Grund liegt in der Stromform. Bei einem sinusförmigen Verbraucher beschreibt der Phasenwinkel zwischen Spannung und Strom den Leistungsfaktor sehr gut. Ein Frequenzumrichter ist jedoch eine nichtlineare Last. Seine Eingangsschaltung kann einen stark verzerrten Strom aufnehmen, obwohl die Grundschwingung des Stroms nur wenig gegenüber der Spannung verschoben ist.

Damit entstehen zwei unterschiedliche Betrachtungen: Der Verschiebungsfaktor beziehungsweise Displacement Power Factor beschreibt im Wesentlichen die Phasenverschiebung der Grundschwingungen. Der True Power Factor beziehungsweise Gesamtleistungsfaktor berücksichtigt dagegen die gesamte Effektivstromaufnahme einschließlich Oberschwingungen.

Bei Anlagen mit Frequenzumrichtern reicht ein guter cos φ deshalb nicht aus, um die tatsächliche Belastung des elektrischen Netzes zu bewerten. Zusätzlich müssen Gesamtleistungsfaktor PF, Stromverzerrung, Oberschwingungen und die tatsächliche Scheinleistung betrachtet werden.

Passende Messgeräte finden Sie bei ICS Schneider unter Elektrische Mess- und Prüfgeräte sowie speziell unter Leistungs- und Energieanalysatoren sowie Energierecorder.

Für eine detaillierte Netzanalyse eignet sich beispielsweise der CA 8345 Leistungsanalysator. Das Gerät berechnet sowohl den Displacement Power Factor DPF als auch den Power Factor PF und erfasst zusätzlich Oberschwingungen sowie unterschiedliche Leistungsgrößen. Für längerfristige Energie- und Lastaufzeichnungen steht unter anderem der PEL 113 Leistungs- und Energierecorder zur Verfügung, der cos φ, tan φ, PF, Wirk-, Blind- und Scheinleistung sowie THD erfasst.

Warum cos φ und Leistungsfaktor nicht immer dasselbe sind

In klassischen Wechselstromkreisen werden die Begriffe:

cos φ

und:

Leistungsfaktor

häufig nahezu synonym verwendet.

Bei rein sinusförmiger Spannung und sinusförmigem Strom ist das auch weitgehend korrekt.

Mit zunehmender Verbreitung leistungselektronischer Verbraucher wird diese Vereinfachung jedoch problematisch.

Typische nichtlineare Verbraucher sind:

• Frequenzumrichter,
• Schaltnetzteile,
• USV-Anlagen,
• LED-Netzteile,
• Gleichrichter,
• Ladegeräte,
• Servoregler.

Diese Geräte nehmen häufig keinen sinusförmigen Strom auf.

Dadurch kann:

cos φ ≠ PF

gelten.

Wirk-, Blind- und Scheinleistung unterscheiden

Für die Beurteilung des Leistungsfaktors müssen zunächst die grundlegenden Leistungsgrößen unterschieden werden.

Wirkleistung P

Die Wirkleistung ist der Anteil der elektrischen Leistung, der tatsächlich in eine andere Energieform umgesetzt wird.

Beispiele sind:

• mechanische Leistung eines Motors,
• Wärme,
• Licht,
• Prozessenergie.

Die Einheit lautet:

W beziehungsweise kW

Scheinleistung S

Die Scheinleistung ergibt sich aus den Effektivwerten von Spannung und Strom.

Für ein einphasiges System gilt:

S = URMS × IRMS

Die Einheit lautet:

VA beziehungsweise kVA

Bei einem symmetrischen Drehstromsystem kann vereinfacht gerechnet werden:

S = √3 × ULL × I

Blindleistung Q

Bei sinusförmigen Verhältnissen beschreibt die Blindleistung den Leistungsaustausch zwischen Quelle und reaktiven Bauteilen wie:

• Induktivitäten,
• Motorwicklungen,
• Transformatoren,
• Kondensatoren.

Die Einheit lautet:

var beziehungsweise kvar

Im ideal sinusförmigen Fall gilt

S² = P² + Q²

Dieses klassische Leistungsdreieck funktioniert sehr gut für sinusförmige Spannungen und Ströme.

Bei stark verzerrten Stromformen reicht diese Darstellung jedoch nicht mehr aus.

Was cos φ tatsächlich beschreibt

Der cos φ beschreibt den Kosinus des Phasenwinkels zwischen Spannung und Strom.

Bei sinusförmigen Signalen gilt:

cos φ = P / S

Bei verzerrten Signalen wird bei modernen Leistungsanalysatoren jedoch üblicherweise der Winkel zwischen den Grundschwingungen von Spannung und Strom betrachtet.

Dafür werden Begriffe verwendet wie:

• Displacement Power Factor,
• DPF,
• Verschiebungsfaktor,
• Fundamental Power Factor,
• cos φ₁.

Vereinfacht

DPF = cos φ1

Dabei ist φ1 die Phasenverschiebung zwischen der Spannungsgrundschwingung und der Stromgrundschwingung.

Ob darüber hinaus hohe Stromanteile bei:

250 Hz

350 Hz

oder anderen Oberschwingungsfrequenzen vorhanden sind, wird durch diesen Wert allein nicht ausreichend beschrieben.

Was der True Power Factor beschreibt

Der Gesamtleistungsfaktor berücksichtigt dagegen die tatsächliche Wirkleistung im Verhältnis zur gesamten Scheinleistung.

Für einphasige Systeme gilt:

PF = P / S

beziehungsweise:

PF = P / (URMS × IRMS)

Dieser Wert wird häufig bezeichnet als:

• Power Factor PF,
• Total Power Factor,
• True Power Factor,
• Gesamtleistungsfaktor.

Der entscheidende Unterschied

Der True Power Factor berücksichtigt die gesamte Effektivstromaufnahme.

Damit fließen auch Stromanteile ein, die durch:

• Oberschwingungen,
• nichtlineare Stromaufnahme,
• verzerrte Stromformen

entstehen.

Der PF beantwortet damit besser die Frage, wie viel Netzstrom beziehungsweise Scheinleistung erforderlich ist, um eine bestimmte Wirkleistung zu übertragen.

Wann cos φ und PF identisch sind

Bei einer ideal sinusförmigen Versorgung und einer sinusförmigen Stromaufnahme gilt:

PF = cos φ

Beispiel

Ein induktiver Motor nimmt einen nahezu sinusförmigen Strom auf und besitzt:

cos φ = 0,8

Dann beträgt auch der Gesamtleistungsfaktor näherungsweise:

PF ≈ 0,8

Die Ursache des ungünstigen Leistungsfaktors liegt hier hauptsächlich in der Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung.

Bei nichtlinearen Lasten ändert sich die Situation

Ist der Strom stark verzerrt, kann beispielsweise gelten:

cos φ = 0,98

aber:

PF = 0,88

Der Grund ist dann nicht primär eine große Phasenverschiebung, sondern ein zusätzlicher Verzerrungsanteil des Stroms.

Warum Frequenzumrichter den Unterschied sichtbar machen

Ein klassischer Frequenzumrichter besteht auf der Netzseite typischerweise vereinfacht aus:

Netz → Gleichrichter → DC-Zwischenkreis → Wechselrichter → Motor

Bei vielen konventionellen Geräten befindet sich am Eingang ein Diodengleichrichter.

Der Zwischenkreis wird dabei nicht über die gesamte Sinusperiode gleichmäßig geladen.

Der Netzstrom kann deshalb impulsförmig beziehungsweise deutlich vom Sinus abweichend verlaufen.

Die Grundschwingung kann trotzdem fast phasengleich sein

Damit kann der Verschiebungsfaktor beispielsweise sehr gut sein:

DPF beziehungsweise cos φ ≈ 0,95 … 1

Der gesamte Effektivstrom enthält jedoch zusätzlich Oberschwingungsanteile.

Die Scheinleistung steigt dadurch stärker als die tatsächlich übertragene Wirkleistung.

Der True Power Factor wird kleiner.

Nicht jeder Frequenzumrichter verhält sich gleich

Das Stromspektrum hängt unter anderem ab von:

• Eingangsgleichrichter,
• Zwischenkreisdrossel,
• Netzdrossel,
• passiven Filtern,
• aktiver Einspeiseeinheit,
• Belastungszustand,
• Netzimpedanz.

Frequenzumrichter mit Active Front End können daher ein deutlich anderes Netzverhalten besitzen als klassische 6-Puls-Diodengleichrichter.

Wie Oberschwingungen den Leistungsfaktor verschlechtern

Eine nicht sinusförmige Stromform kann mathematisch in eine Grundschwingung und Oberschwingungen zerlegt werden.

Bei einem 50-Hz-Netz liegt die Grundschwingung bei:

50 Hz

Typische Oberschwingungsfrequenzen sind beispielsweise:

5. Harmonische = 250 Hz

7. Harmonische = 350 Hz

11. Harmonische = 550 Hz

13. Harmonische = 650 Hz

Bei bestimmten Gleichrichterschaltungen treten charakteristische Harmonische besonders deutlich auf.

Diese Ströme belasten das Netz

Sie tragen zum gesamten Effektivstrom bei und können unter anderem:

• Leitungen zusätzlich erwärmen,
• Transformatoren belasten,
• Spannungsverzerrungen erzeugen,
• Verluste erhöhen,
• Resonanzen begünstigen.

Der reine cos φ bildet diese Belastung nicht vollständig ab.

Zusammenhang zwischen DPF, THD und Gesamtleistungsfaktor

Bei praktisch sinusförmiger Netzspannung lässt sich der Zusammenhang anschaulich darstellen.

Der Stromverzerrungsfaktor kann vereinfacht beschrieben werden als:

DF = I1 / IRMS

Dabei ist:

• I1 = Effektivwert der Stromgrundschwingung,
• IRMS = gesamter Effektivstrom einschließlich Oberschwingungen.

Dann gilt näherungsweise:

PF ≈ DPF × DF

beziehungsweise:

PF ≈ cos φ1 × I1 / IRMS

Verbindung zur Strom-THD

Wenn die Strom-THD auf die Grundschwingung bezogen wird und kein relevanter Gleichanteil vorliegt, gilt:

DF = 1 / √(1 + THDI²)

Damit ergibt sich:

PF ≈ cos φ1 / √(1 + THDI²)

Diese vereinfachte Beziehung setzt eine weitgehend sinusförmige Spannung voraus. Bei deutlich verzerrter Netzspannung muss eine vollständige Leistungsanalyse verwendet werden.

Rechenbeispiel: cos φ 0,98 und PF nur 0,88

Ein Frequenzumrichter besitzt auf der Netzseite:

cos φ1 = 0,98

Die Stromverzerrung beträgt:

THDI = 50 % = 0,50

Schritt 1: Verzerrungsfaktor berechnen

DF = 1 / √(1 + 0,50²)

DF ≈ 0,894

Schritt 2: Gesamtleistungsfaktor bestimmen

PF ≈ 0,98 × 0,894

PF ≈ 0,876

Damit können am selben Verbraucher gleichzeitig folgende Werte gemessen werden:

cos φ ≈ 0,98

und:

True PF ≈ 0,88

Beide Werte sind korrekt

Der cos φ zeigt, dass die Grundschwingung des Stroms nur wenig gegenüber der Spannung verschoben ist.

Der True Power Factor zeigt dagegen, dass aufgrund der verzerrten Stromform für die übertragene Wirkleistung ein deutlich höherer Gesamtstrom benötigt wird.

Blindleistung und Verzerrungsleistung nicht verwechseln

Im sinusförmigen Wechselstromsystem kann die nicht in Wirkleistung umgesetzte Scheinleistung weitgehend über die Blindleistung beschrieben werden.

Bei nichtlinearen Lasten reicht diese Interpretation nicht mehr aus.

Ein Frequenzumrichter kann beispielsweise besitzen

cos φ nahe 1

und trotzdem:

PF deutlich unter 1

.

Dann kann die Differenz nicht einfach vollständig als klassische induktive Blindleistung interpretiert werden.

Zusätzlich existieren Anteile aufgrund der Verzerrung der Stromform.

Moderne Leistungsanalysatoren unterscheiden deshalb weitere Größen

Der CA 8345 erfasst beziehungsweise berechnet beispielsweise:

• Wirkleistung P,
• Grundschwingungs-Blindleistung Q1,
• Scheinleistung S,
• nichtaktive Leistung N,
• Verzerrungsleistung D,
• DPF,
• PF.

Damit kann wesentlich besser beurteilt werden, warum der Gesamtleistungsfaktor von 1 abweicht.

Netzseite und Motorseite eines Frequenzumrichters unterscheiden

Bei Messungen an Frequenzumrichtern muss eindeutig festgelegt werden, wo gemessen wird.

Netzeingang des Frequenzumrichters

Hier interessiert beispielsweise:

• Netzstrom,
• Wirkleistung,
• Scheinleistung,
• PF,
• DPF beziehungsweise cos φ,
• Strom-THD,
• Spannungs-THD,
• Oberschwingungsspektrum.

Diese Messstelle ist für die Bewertung der Netzrückwirkungen des Frequenzumrichters entscheidend.

Ausgang des Frequenzumrichters zum Motor

Hier liegt dagegen keine normale sinusförmige Netzspannung an.

Die Ausgangsspannung wird durch schnelle Halbleiterschaltvorgänge erzeugt und ist typischerweise pulsweitenmoduliert.

Eine klassische Netzleistungsmessung kann deshalb auf der Motorseite ungeeignet sein.

Für Motor- und Umrichtermessungen

muss das verwendete Messgerät ausdrücklich für:

• PWM-Signale,
• entsprechende Bandbreite,
• Motorleistungsanalyse,
• Umrichterausgänge

geeignet sein.

Ein am Netzeingang gemessener Leistungsfaktor darf nicht mit einem vermeintlichen cos φ auf der PWM-Motorseite gleichgesetzt werden.

Die richtige Messstelle wählen

Die Messstelle hängt von der Fragestellung ab.

Einzelnen Frequenzumrichter beurteilen

Dann sollte möglichst direkt am Einspeisepunkt des Frequenzumrichters gemessen werden.

So können dessen:

• Stromform,
• Leistung,
• PF,
• DPF,
• Oberschwingungen

gezielt untersucht werden.

Auswirkungen auf eine Verteilung bewerten

Dann ist eine Messung an der betreffenden Unterverteilung sinnvoll.

Dort ergibt sich die Überlagerung aller angeschlossenen Verbraucher.

Auswirkungen auf das gesamte Netz bewerten

Für Fragen zu Oberschwingungsbelastung und Netzrückwirkungen ist häufig auch der:

Point of Common Coupling – PCC

relevant.

Der geeignete Punkt hängt von Anlage, Verantwortungsgrenze und Fragestellung ab.

Leistungsanalysator korrekt anschließen

Eine Leistungsfaktormessung ist nur so zuverlässig wie der elektrische Anschluss des Messgeräts.

Bei einem dreiphasigen System müssen unter anderem stimmen

• Netzform,
• Spannungszuordnung L1, L2 und L3,
• Stromzuordnung L1, L2 und L3,
• Neutralleiteranschluss, falls erforderlich,
• Stromwandlerrichtung,
• Phasenfolge.

Typischer Fehler

Der Stromsensor von L1 befindet sich tatsächlich auf L2.

Das Messgerät kombiniert dann eine Spannung mit dem Strom einer anderen Phase.

Mögliche Folgen sind:

• unplausible Wirkleistung,
• negativer Leistungsfaktor,
• ungewöhnlicher Phasenwinkel,
• falsche Blindleistung.

Vor einer längeren Messkampagne sollte deshalb immer zuerst das Zeigerdiagramm beziehungsweise die Anschlusskontrolle des Analysators geprüft werden.

Stromwandler und Stromrichtung richtig zuordnen

Stromzangen und flexible Stromsensoren besitzen eine definierte Messrichtung.

Sie wird häufig durch:

• Pfeil,
• Markierung,
• Beschriftung

angegeben.

Bei falscher Richtung

kann die Wirkleistung beispielsweise negativ dargestellt werden.

Das kann bei einem normalen Verbraucher wie eine Rückspeisung aussehen.

Aber nicht jede negative Leistung ist ein Anschlussfehler

Regenerative Frequenzumrichter beziehungsweise Active-Front-End-Systeme können tatsächlich Energie ins Netz zurückspeisen.

Deshalb muss unterschieden werden zwischen:

falsch herum montiertem Stromsensor

und:

realem Energiefluss in Gegenrichtung

.

Auch die Vorzeichenkonvention für PF und Blindleistung sollte anhand der Bedienungsanleitung des verwendeten Messgeräts geprüft werden.

Warum der Leistungsfaktor lastabhängig sein kann

Der Leistungsfaktor eines Frequenzumrichters ist kein unveränderlicher Geräteparameter.

Er kann sich mit dem Betriebszustand verändern.

Einflussgrößen sind unter anderem

• Motorlast,
• Drehzahl,
• Zwischenkreisspannung,
• Gleichrichtertopologie,
• Netzdrossel,
• Zwischenkreisdrossel,
• Filter,
• Netzimpedanz.

Ein Messwert bei:

20 % Maschinenlast

muss deshalb nicht repräsentativ für:

100 % Produktionslast

sein.

Das Oberschwingungsspektrum kann sich ebenfalls verändern

Deshalb kann eine einzelne Momentaufnahme eine Anlage falsch charakterisieren.

Für Produktionsmaschinen mit wechselnden Betriebszuständen ist eine Trendaufzeichnung über einen vollständigen Maschinen- oder Produktionszyklus häufig wesentlich aussagekräftiger.

Warum Blindleistungskompensation nicht automatisch den True PF verbessert

Eine klassische Blindleistungskompensation mit Kondensatoren korrigiert primär eine Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom.

Sie wirkt damit auf den:

Displacement Power Factor beziehungsweise cos φ

.

Oberschwingungsströme verschwinden dadurch nicht automatisch

Wenn beispielsweise gilt:

cos φ = 0,98

und:

PF = 0,82

liegt die Hauptursache offensichtlich nicht in einer starken Grundschwingungs-Phasenverschiebung.

Eine weitere klassische Kondensatorkompensation kann dann das eigentliche Problem nicht lösen.

Stattdessen muss geprüft werden

• welche Harmonischen vorhanden sind,
• wie hoch deren Stromanteile sind,
• welche Netzimpedanz vorhanden ist,
• welche Filter- oder Drosseltechnik eingesetzt wird.

Kondensatoren und Frequenzumrichter besonders sorgfältig bewerten

Bei einer Anlage mit hoher Oberschwingungsbelastung dürfen Kompensationskondensatoren nicht einfach aufgrund eines schlechten Gesamtleistungsfaktors ergänzt werden.

Kondensatoren besitzen mit zunehmender Frequenz eine sinkende Blindimpedanz.

Damit können Oberschwingungsströme zu zusätzlichen Belastungen führen.

Zusätzlich können Resonanzen entstehen

Die Kombination aus:

• Netzinduktivität,
• Transformator,
• Leitungsinduktivität,
• Kompensationskapazität

kann bei bestimmten Frequenzen ein Resonanzverhalten erzeugen.

Dadurch können einzelne Oberschwingungen deutlich verstärkt werden.

Bei einer frequenzumrichterreichen Anlage sollte vor Änderungen an einer Blindleistungskompensation deshalb das Oberschwingungsspektrum untersucht werden.

Welche Folgen ein niedriger True Power Factor hat

Ein niedriger Gesamtleistungsfaktor bedeutet:

Für dieselbe Wirkleistung muss mehr Scheinleistung übertragen werden.

Damit steigt typischerweise auch der erforderliche RMS-Strom.

Folgen können sein

• höhere Leitungsverluste,
• stärkere Transformatorbelastung,
• geringere nutzbare Anlagenkapazität,
• höhere thermische Belastung,
• größere Spannungsabfälle.

Beispiel

Eine einphasige Last benötigt:

P = 10 kW

Bei:

PF = 1,0

beträgt die erforderliche Scheinleistung:

S = 10 kVA

Bei:

PF = 0,8

beträgt sie dagegen:

S = 10 kW / 0,8 = 12,5 kVA

Obwohl dieselbe Wirkleistung übertragen wird, müssen Leitungen, Schaltgeräte und Transformator eine höhere Scheinleistung beziehungsweise einen höheren Strom tragen.

THD richtig interpretieren

THD steht für:

Total Harmonic Distortion

beziehungsweise Gesamtoberschwingungsverzerrung.

Unterschieden werden insbesondere

THDU beziehungsweise THDV

für die Spannung und:

THDI

für den Strom.

Ein Frequenzumrichter kann beispielsweise eine hohe Strom-THD besitzen, während die Netzspannung aufgrund eines relativ steifen Netzes noch vergleichsweise wenig verzerrt ist.

Strom-THD und Spannungs-THD beantworten unterschiedliche Fragen

Die Strom-THD beschreibt die Verzerrung der Laststromaufnahme.

Die Spannungs-THD zeigt, wie stark sich diese und andere Netzrückwirkungen bereits auf die Versorgungsspannung auswirken.

Auch die Definition des THD-Bezugs ist wichtig

Messgeräte können Verzerrungskennwerte abhängig von Norm und Darstellung unterschiedlich auf:

• Grundschwingung,
• gesamten Effektivwert

beziehen.

Bei genauen Vergleichen muss deshalb geprüft werden, welche Definition das verwendete Messgerät benutzt.

Warum eine Langzeitaufzeichnung oft besser ist als eine Momentaufnahme

Der schlechteste Leistungsfaktor tritt nicht zwangsläufig dann auf, wenn der Prüftechniker vor dem Schaltschrank steht.

Produktionsanlagen ändern kontinuierlich:

• Drehzahlen,
• Motorlasten,
• Anzahl aktiver Umrichter,
• Heizleistungen,
• Prozesszustände.

Damit verändern sich auch:

• Wirkleistung,
• Scheinleistung,
• PF,
• cos φ beziehungsweise DPF,
• THD,
• Oberschwingungsspektrum.

Eine Trendaufzeichnung ermöglicht deshalb

den Vergleich von:

elektrischer Messwert ↔ Maschinenzustand ↔ Zeitpunkt

.

So kann beispielsweise erkannt werden, dass der PF immer dann stark sinkt, wenn mehrere Frequenzumrichter gleichzeitig mit geringer Teillast arbeiten.

cos φ und PF systematisch diagnostizieren

1. Fragestellung definieren: Einzelnen Frequenzumrichter, Unterverteilung oder gesamte Anlage untersuchen.
2. Messstelle festlegen: Einspeisung des Umrichters oder geeigneten Verteilungspunkt auswählen.
3. Netzform konfigurieren: Einphasig, Drehstrom 3-Leiter oder Drehstrom 4-Leiter korrekt einstellen.
4. Spannungen zuordnen: L1, L2, L3 und gegebenenfalls N korrekt anschließen.
5. Stromsensoren zuordnen: Jede Stromzange der richtigen Spannung zuweisen.
6. Stromrichtung prüfen: Pfeilrichtung und Energiefluss kontrollieren.
7. Zeigerdiagramm kontrollieren: Anschlussfehler vor der Analyse ausschließen.
8. Wirkleistung erfassen: Gesamt- und gegebenenfalls Phasenwerte prüfen.
9. Scheinleistung erfassen: Verhältnis zur Wirkleistung bewerten.
10. PF messen: Tatsächlichen Gesamtleistungsfaktor bestimmen.
11. DPF beziehungsweise cos φ messen: Verschiebungsanteil getrennt betrachten.
12. PF und DPF vergleichen: Eine große Differenz weist auf relevante Verzerrungseinflüsse hin.
13. THD messen: Strom- und Spannungsverzerrung getrennt betrachten.
14. Oberschwingungsspektrum prüfen: Auffällige Harmonische identifizieren.
15. Lastzustand dokumentieren: Drehzahl, Motorlast und Maschinenzustand notieren.
16. Trend aufzeichnen: Bei wechselnden Lasten einen vollständigen Produktionszyklus erfassen.
17. Kompensation prüfen: Vor Änderungen bestehende Kondensatoranlagen und Filter berücksichtigen.
18. Maßnahme festlegen: Erst nach vollständiger Analyse Drosseln, Filter, aktive Einspeisung oder andere Lösungen bewerten.

Typische Fehlerbilder in der Praxis

Beobachtung	Mögliche Ursache	Sinnvolle Prüfung
cos φ ≈ 1, PF deutlich kleiner	starke Stromverzerrung	THDI und Oberschwingungen messen
cos φ und PF nahezu identisch	geringe Verzerrung oder überwiegend lineare Last	Stromform und THDI bestätigen
PF wird bei Teillast schlechter	veränderte Stromform beziehungsweise höhere Verzerrung relativ zur Wirkleistung	PF und THDI über die Last aufzeichnen
PF negativ	falsche Stromsensorrichtung oder reale Rückspeisung	Stromrichtung und Energiefluss prüfen
Einzelne Phase besitzt völlig anderen PF	Anschlussfehler oder unsymmetrische Belastung	Phasenzuordnung und Lasten prüfen
Wirkleistung erscheint unplausibel niedrig	Stromzangen vertauscht oder falsches Wandlerverhältnis	Anschluss und Sensorkonfiguration kontrollieren
Strom-THD hoch, Spannungs-THD niedrig	nichtlineare Last an relativ steifem Netz	Netzimpedanz und PCC bewerten
Spannungs-THD steigt bei höherer Produktionslast	Oberschwingungsströme erzeugen stärkere Netzspannungsverzerrung	Trend von Last, THDI und THDU vergleichen
Kondensatoranlage wird ungewöhnlich warm	Oberschwingungsbelastung oder Resonanz möglich	Stromspektrum und Kompensationsanlage untersuchen
cos φ verbessert sich nach Kompensation, PF kaum	Verzerrungsanteil bleibt bestehen	THDI und True PF vergleichen
Messwerte am FU-Ausgang sind unplausibel	Messgerät für PWM-Ausgang ungeeignet	Eignung für Umrichter-/Motoranalyse prüfen
PF schwankt stark im Tagesverlauf	wechselnde Anzahl und Belastung nichtlinearer Verbraucher	Langzeitaufzeichnung durchführen

Praxisbeispiel: Frequenzumrichter mit gutem cos φ und schlechtem PF

An der Einspeisung eines dreiphasigen Frequenzumrichters werden folgende Werte gemessen:

U = 400 V

I = 30 A

P = 18,2 kW

Bei annähernd symmetrischer Belastung ergibt sich für die Scheinleistung:

S ≈ √3 × 400 V × 30 A

S ≈ 20,8 kVA

True Power Factor

PF = P / S

PF ≈ 18,2 / 20,8

PF ≈ 0,88

Der Analysator zeigt gleichzeitig

DPF beziehungsweise cos φ = 0,98

Damit ist sofort erkennbar:

Die schlechte Ausnutzung der Scheinleistung entsteht nicht hauptsächlich durch eine große induktive Phasenverschiebung.

Nächster Prüfschritt

Die Strom-THD und das Oberschwingungsspektrum werden betrachtet.

Zeigt sich eine deutliche Stromverzerrung, erklärt diese den Unterschied zwischen:

DPF = 0,98

und:

PF = 0,88

.

Falsche Schlussfolgerung

PF ist schlecht → mehr Kompensationskondensatoren installieren

Bessere Schlussfolgerung

DPF ist bereits gut → Verzerrungsanteil und Oberschwingungen analysieren

Abhängig von der Anlage können anschließend beispielsweise:

• Netzdrosseln,
• Zwischenkreisdrosseln,
• passive Oberschwingungsfilter,
• aktive Filter,
• andere Umrichtertopologien

technisch bewertet werden.

Praxisbeispiel: Messung einer gesamten Maschinenverteilung

In einer Produktionslinie befinden sich mehrere:

• Frequenzumrichter,
• Servoregler,
• Schaltnetzteile,
• klassische Motoren.

An der Hauptverteilung wird zeitweise ein PF von:

0,84

gemessen.

Der cos φ liegt dagegen bei:

0,96

Eine Momentaufnahme reicht nicht aus

Die einzelnen Frequenzumrichter arbeiten abhängig vom Produktionsschritt mit unterschiedlichen Lasten.

Deshalb wird eine Langzeitaufzeichnung gestartet.

Gespeichert werden:

• Wirkleistung,
• Scheinleistung,
• PF,
• cos φ beziehungsweise DPF,
• THDI,
• THDU,
• Einzelharmonische,
• Strom pro Phase.

Ergebnis

Der PF sinkt insbesondere während Produktionsphasen, in denen mehrere Umrichter gleichzeitig mit geringer Last betrieben werden.

Der DPF bleibt dagegen relativ hoch.

Damit wird deutlich, dass eine klassische Blindleistungskompensation allein nicht die Hauptursache beheben würde.

Erst durch die parallele Aufzeichnung von PF, DPF und Harmonischen lässt sich die elektrische Belastung richtig einordnen.

Geeignetes Messgerät auswählen

Für eine belastbare Bewertung von Frequenzumrichtern sollte das Messgerät nicht nur einen einzelnen cos-φ-Wert anzeigen.

Sinnvolle Messgrößen sind

• True RMS Spannung,
• True RMS Strom,
• Wirkleistung P,
• Scheinleistung S,
• Blind- beziehungsweise nichtaktive Leistung,
• Power Factor PF,
• Displacement Power Factor beziehungsweise cos φ,
• THDI,
• THDU,
• Oberschwingungsspektrum,
• Phasenlage,
• Trendaufzeichnung.

Für Fehlersuche und detaillierte Netzqualitätsanalyse

ist ein Power-Quality-Analysator sinnvoll, der:

• Wellenformen darstellen,
• Harmonische analysieren,
• Leistungsgrößen getrennt auswerten,
• zeitliche Ereignisse aufzeichnen

kann.

Für langfristige Energieanalysen

kann dagegen ein kompakter Energierecorder sinnvoll sein, der über Tage oder Wochen:

• Leistung,
• Energie,
• PF,
• cos φ,
• THD

aufzeichnet.

Passende Leistungsanalysatoren bei ICS Schneider

CA 8345 Leistungsanalysator

Der CA 8345 ist ein Leistungs- und Spannungsqualitätsanalysator der Qualistar-Serie.

Für die hier beschriebene Fragestellung ist besonders relevant, dass das Gerät getrennt berechnet:

• Displacement Power Factor DPF,
• Power Factor PF.

Damit lässt sich unmittelbar erkennen, ob ein schlechter Gesamtleistungsfaktor hauptsächlich aus einer Phasenverschiebung oder aus Verzerrungseffekten resultiert.

Zusätzlich erfasst der CA 8345

• Wirkleistung P,
• Grundschwingungs-Blindleistung Q1,
• nichtaktive Leistung N,
• Scheinleistung S,
• Verzerrungsleistung D,
• Oberschwingungen von DC bis zur 63. Ordnung,
• Zwischenharmonische,
• Spannungs- und Stromunsymmetrie,
• Trendwerte,
• Transienten,
• TrueInrush.

Das Gerät ist nach IEC 61000-4-30 Edition 3 als Klasse-A-Analysator ausgeführt.

Für Frequenzumrichter besonders interessant

Die gemeinsame Darstellung von:

PF + DPF + THD + Oberschwingungsspektrum + P + S

ermöglicht eine wesentlich bessere Diagnose als die isolierte Betrachtung eines cos-φ-Wertes.

PEL 113 Leistungs- und Energierecorder

Der PEL 113 eignet sich besonders für längere Energie- und Lastmessungen.

Er verfügt über:

• 3 Spannungseingänge,
• 3 Stromeingänge,
• Spannungsmessungen bis 1.000 V AC beziehungsweise DC,
• Strommessungen abhängig vom verwendeten Stromsensor,
• Wirk-, Blind- und Scheinleistungsmessung,
• Wirk-, Blind- und Scheinenergie,
• cos φ,
• tan φ,
• Power Factor PF,
• THD für Strom und Spannung.

Damit eignet sich der Recorder beispielsweise für:

• Energieaudits,
• industrielle Wartung,
• Langzeitmessungen,
• Lastprofilanalysen.

Welches Gerät für welche Aufgabe?

Vereinfacht:

detaillierte Netzqualitäts- und Oberschwingungsdiagnose → CA 8345

langfristige Leistungs- und Energieaufzeichnung → PEL 113

Welche Messtechnik erforderlich ist, hängt letztlich von Netzform, Spannung, Strom, Messdauer und gewünschter Analysetiefe ab.

Fazit

Bei sinusförmigen Verbrauchern können cos φ und Leistungsfaktor praktisch identisch sein. Bei Frequenzumrichtern und anderen nichtlinearen Lasten ist diese Gleichsetzung jedoch häufig falsch.

cos φ beschreibt primär die Phasenverschiebung

Bei verzerrten Signalen wird damit typischerweise der Verschiebungsfaktor der Grundschwingung beziehungsweise DPF beschrieben.

True Power Factor berücksichtigt die gesamte Stromaufnahme

Der PF wird aus Wirkleistung und gesamter Scheinleistung bestimmt und berücksichtigt damit auch die Auswirkungen einer verzerrten Stromform.

Ein guter cos φ bedeutet deshalb nicht automatisch einen guten PF

Ein Frequenzumrichter kann beispielsweise einen:

cos φ von 0,98

und gleichzeitig einen:

PF von 0,88

besitzen.

Oberschwingungen sind dabei häufig der entscheidende Unterschied

Sie erhöhen den gesamten RMS-Strom und damit die Scheinleistung, ohne im gleichen Verhältnis zusätzliche Wirkleistung zu übertragen.

Klassische Blindleistungskompensation löst dieses Problem nicht automatisch

Ist der DPF bereits gut, muss vor allem die Stromverzerrung untersucht werden. Zusätzliche Kondensatoren können in oberschwingungsbelasteten Netzen sogar unerwünschte Resonanzeffekte begünstigen.

Die Messstelle entscheidet über die Aussage

Für die Netzrückwirkungen eines Frequenzumrichters sollte dessen Eingangsseite untersucht werden. Messungen an der PWM-Ausgangsseite zum Motor erfordern dagegen speziell dafür geeignete Messtechnik.

Eine Langzeitaufzeichnung liefert häufig die bessere Diagnose

PF, DPF und Harmonische können sich mit dem Lastzustand deutlich verändern. Ein einzelner Momentanwert muss daher nicht repräsentativ sein.

Für die Praxis gilt

Messstelle festlegen → Netzform korrekt konfigurieren → Spannung und Strom phasenrichtig anschließen → Stromsensorrichtung kontrollieren → P und S messen → True PF bestimmen → DPF beziehungsweise cos φ getrennt erfassen → Differenz zwischen PF und DPF bewerten → THDI und THDU messen → Oberschwingungsspektrum analysieren → Lastzustand dokumentieren → bei wechselnder Belastung Trend aufzeichnen → Blindleistungskompensation nicht mit Oberschwingungskompensation verwechseln → erst danach geeignete technische Maßnahmen festlegen.

FAQ: cos φ und True Power Factor bei Frequenzumrichtern

Was ist der Unterschied zwischen cos φ und Power Factor?

Bei sinusförmigen Signalen sind beide Werte praktisch identisch. Bei nichtlinearen Lasten beschreibt cos φ beziehungsweise DPF hauptsächlich die Phasenverschiebung der Grundschwingungen, während der True Power Factor zusätzlich die Auswirkungen der Stromverzerrung berücksichtigt.

Was bedeutet True Power Factor?

Der True Power Factor beziehungsweise Gesamtleistungsfaktor ist das Verhältnis von Wirkleistung zu gesamter Scheinleistung: PF = P / S.

Was bedeutet DPF?

DPF steht für Displacement Power Factor und beschreibt den Leistungsfaktor der Grundschwingung beziehungsweise den Verschiebungsfaktor zwischen Spannungs- und Stromgrundschwingung.

Ist DPF dasselbe wie cos φ?

Bei entsprechenden Leistungsanalysatoren wird cos φ häufig als Displacement Power Factor beziehungsweise Grundschwingungs-Leistungsfaktor dargestellt.

Wann gilt PF = cos φ?

Bei sinusförmiger Spannung und sinusförmigem Strom ohne relevante harmonische Verzerrung sind PF und cos φ praktisch identisch.

Warum unterscheiden sich PF und cos φ bei Frequenzumrichtern?

Frequenzumrichter können einen stark nichtsinusförmigen Eingangsstrom aufnehmen. Die Stromgrundschwingung kann dabei fast phasengleich zur Spannung sein, während harmonische Stromanteile den gesamten RMS-Strom und damit die Scheinleistung erhöhen.

Kann ein Frequenzumrichter cos φ 0,99 und trotzdem einen schlechten Leistungsfaktor haben?

Ja. Ein sehr guter Verschiebungsfaktor schließt einen deutlich schlechteren Gesamtleistungsfaktor bei hoher Stromverzerrung nicht aus.

Warum entstehen am Frequenzumrichter Oberschwingungen?

Die nichtlineare Gleichrichterschaltung auf der Netzseite nimmt den Strom nicht gleichmäßig über die gesamte Sinusperiode auf. Dadurch entsteht eine verzerrte Stromform mit harmonischen Anteilen.

Was bedeutet THDI?

THDI beschreibt die Gesamtoberschwingungsverzerrung des Stroms.

Was bedeutet THDU?

THDU beziehungsweise THDV beschreibt die Gesamtoberschwingungsverzerrung der Spannung.

Ist eine hohe Strom-THD automatisch eine hohe Spannungs-THD?

Nein. In einem sehr steifen Netz kann trotz hoher Stromverzerrung die Spannungsverzerrung zunächst vergleichsweise gering bleiben.

Wie berechnet sich der Power Factor?

Grundsätzlich wird der Gesamtleistungsfaktor als PF = P / S berechnet.

Wie berechnet sich die Scheinleistung?

Einphasig gilt S = URMS × IRMS. Für ein symmetrisches Drehstromsystem kann S = √3 × ULL × I verwendet werden.

Was ist der Verzerrungsfaktor?

Bei weitgehend sinusförmiger Spannung kann er als Verhältnis von Stromgrundschwingung zu gesamtem Effektivstrom beschrieben werden: DF = I1 / IRMS.

Wie hängen PF und DPF zusammen?

Bei weitgehend sinusförmiger Spannung kann näherungsweise PF ≈ DPF × DF verwendet werden.

Wie hängt THDI mit dem Power Factor zusammen?

Unter vereinfachten Bedingungen gilt PF ≈ cos φ1 / √(1 + THDI²), wenn die THD auf die Grundschwingung bezogen wird und die Spannung weitgehend sinusförmig ist.

Was bedeutet ein PF von 0,8?

Es bedeutet, dass die Wirkleistung nur 80 % der übertragenen Scheinleistung entspricht. Für dieselbe Wirkleistung ist damit mehr RMS-Strom erforderlich als bei PF 1.

Ist ein PF von 1 ideal?

Ja. Bei PF 1 entspricht die Scheinleistung der Wirkleistung.

Ist ein cos φ von 1 ideal?

Hinsichtlich der Phasenverschiebung der Grundschwingung ja. Trotzdem kann bei einer verzerrten Stromform der True Power Factor unter 1 liegen.

Was ist Verzerrungsblindleistung?

Bei nichtsinusförmigen Systemen entstehen zusätzliche nichtaktive Leistungsanteile aufgrund der harmonischen Verzerrung. Sie dürfen nicht einfach mit der klassischen Grundschwingungs-Blindleistung gleichgesetzt werden.

Kann ich Q aus √(S²-P²) berechnen?

Bei rein sinusförmigen Verhältnissen funktioniert das klassische Leistungsdreieck. Bei stark verzerrten Signalen sollte die daraus resultierende nichtaktive Leistung jedoch nicht automatisch als klassische Phasenverschiebungs-Blindleistung interpretiert werden.

Warum misst der CA 8345 Q1?

Q1 bezeichnet die Blindleistung der Grundschwingung. Dadurch kann sie von weiteren nichtaktiven beziehungsweise verzerrungsbedingten Leistungsanteilen getrennt betrachtet werden.

Kann ein schlechter PF mit Kondensatoren verbessert werden?

Nur wenn die Ursache hauptsächlich in einer Phasenverschiebung liegt. Ein durch Stromoberschwingungen verschlechterter PF wird durch klassische Kondensatorkompensation nicht automatisch korrigiert.

Warum können Kondensatoren bei Frequenzumrichtern problematisch sein?

Oberschwingungsströme können Kondensatoren zusätzlich belasten. Außerdem können zusammen mit der Netzinduktivität Resonanzen entstehen.

Sollte ich direkt am Frequenzumrichter messen?

Wenn dessen Netzrückwirkungen untersucht werden sollen, ist eine Messung an der Netzeinspeisung des Frequenzumrichters sinnvoll.

Kann ich den Leistungsfaktor am Motorausgang eines Frequenzumrichters normal messen?

Nicht mit jedem Leistungsmessgerät. Die PWM-Ausgangsspannung stellt hohe Anforderungen an Bandbreite und Messverfahren. Für diese Messstelle muss das Gerät ausdrücklich für Frequenzumrichter- und Motoranalysen geeignet sein.

Warum ist die Stromzangenrichtung wichtig?

Eine umgekehrt montierte Stromzange kann zu falschen Vorzeichen von Wirkleistung, Blindleistung und Leistungsfaktor führen.

Warum müssen Spannung und Strom derselben Phase zugeordnet werden?

Der Analysator benötigt die korrekte zeitliche Beziehung zwischen Spannung und Strom jeder Phase. Vertauschte Phasen führen zu falschen Leistungs- und Winkelwerten.

Wie erkenne ich einen Anschlussfehler?

Ein Zeigerdiagramm beziehungsweise Phasordiagramm ist besonders hilfreich. Unplausible Phasenwinkel, negative Wirkleistung oder stark unterschiedliche Phasenwerte sollten überprüft werden.

Kann ein Frequenzumrichter tatsächlich negative Wirkleistung erzeugen?

Bei rückspeisefähigen Umrichtern beziehungsweise Active-Front-End-Systemen kann Energie vom Motor beziehungsweise Prozess zurück in das Netz gespeist werden.

Warum verändert sich der PF mit der Belastung?

Die Stromform und das Verhältnis zwischen Grundschwingung, harmonischen Anteilen und Wirkleistung können sich mit dem Lastzustand des Frequenzumrichters verändern.

Reicht eine kurze Messung für eine Produktionsmaschine?

Nicht immer. Bei wechselnden Lastzuständen sollte idealerweise mindestens ein repräsentativer Produktionszyklus aufgezeichnet werden.

Welche Werte sollte ich bei einem Frequenzumrichter gleichzeitig messen?

Sinnvoll sind insbesondere Spannung, Strom, Wirkleistung, Scheinleistung, PF, DPF beziehungsweise cos φ, THDI, THDU und das Oberschwingungsspektrum.

Was misst der CA 8345?

Der CA 8345 erfasst umfangreiche Spannungsqualitäts- und Leistungsparameter einschließlich P, Q1, N, S, D, PF, DPF, Oberschwingungen, Zwischenharmonischen, Transienten und Trendwerten.

Kann der CA 8345 PF und DPF getrennt anzeigen?

Ja. Der CA 8345 berechnet ausdrücklich sowohl den Displacement Power Factor DPF als auch den Power Factor PF.

Bis zu welcher Harmonischen misst der CA 8345?

Der Hersteller nennt Oberschwingungsmessungen von DC bis zur 63. Ordnung sowie Zwischenharmonische bis zur entsprechenden Untergruppe der 62. Ordnung.

Ist der CA 8345 ein Klasse-A-Netzqualitätsanalysator?

Ja. Der CA 8345 ist für Messfunktionen nach IEC 61000-4-30 Edition 3 Klasse A ausgeführt.

Wofür eignet sich der PEL 113?

Der PEL 113 eignet sich insbesondere für Energieaudits, industrielle Wartung und langfristige Aufzeichnungen von Leistungs- und Energieparametern.

Misst der PEL 113 cos φ und PF getrennt?

Ja. Für die Phasenparameter werden unter anderem cos φ, tan φ und Leistungsfaktor PF angegeben.

Misst der PEL 113 auch THD?

Ja. Der Recorder berechnet THD für Strom und Spannung.

Was ist für eine schnelle Fehlersuche besser: PF oder cos φ?

Beide Werte sollten gemeinsam betrachtet werden. Erst der Vergleich zeigt, ob die Ursache eines schlechten Leistungsfaktors eher in einer Phasenverschiebung oder in Verzerrungen liegt.

Wo finde ich den CA 8345 bei ICS Schneider?

Weitere Informationen finden Sie unter CA 8345 Leistungsanalysator bei ICS Schneider.

Wo finde ich den PEL 113 bei ICS Schneider?

Weitere Informationen finden Sie unter PEL 113 Leistungs- und Energierecorder bei ICS Schneider.

Wo finde ich weitere Leistungs- und Energieanalysatoren?

Eine Übersicht finden Sie unter Leistungs- und Energieanalysatoren sowie Energierecorder bei ICS Schneider.

Wo finde ich weitere elektrische Mess- und Prüfgeräte?

Eine Übersicht finden Sie unter Elektrische Mess- und Prüfgeräte bei ICS Schneider.