Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik cos phi, wirkungsgrad, wirkleistungsfaktor für nicht-ingenieure


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von Sarah E. (meneymaus)


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Hey Leute,

bei mir in der Firma arbeiten wir mit Umrichtern für die 
Induktionsanwendung.

Nun hör ich immer mal den Ausdruck cos phi. Einer meinte, das ist der 
Wirkungsgrad...aber Wirkungsgrad ist doch Ausgangs- durch 
Eingangsleistung oder nicht und cos phi ist doch die Phasenverschiebung.

Ich hab im Inet recherchiert und wenn ich es richtig verstehe, ist cos 
phi etwas anderes nämlich wirkleistung/scheinleistung.

aber was genau sagt denn nun so ein cos phi aus? ob der nun 0,9 oder 1 
ist?


ich bin keine ingenieurin, aber ich hab mich mit dem thema umrichter 
schon viel befasst.




lg sarah

von Dennis S. (eltio)


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Hallo Sarah,

du hast Recht: gemeint ist damit nicht der Wirkungsgrad sondern der 
Leistungsfaktor.

Je geringer der Leistungsfaktor ist, desto geringer ist auch der Anteil 
der zugeführten Energie die vom Verbraucher wirklich genutzt wird 
(Wirkleistung). Die nicht genutzte Energie ist Blindarbeit und in der 
Regel (immer?) ungewünscht. Insbesondere in Energieversorgungsnetzen 
belastet die Blindleistung die Leitungen.

Genaueres können dir hier bestimmt die Experten sagen.. ;-)

Gruß
Dennis

von Hans (Gast)


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Sarah E. schrieb:
> Nun hör ich immer mal den Ausdruck cos phi. Einer meinte, das ist der
> Wirkungsgrad...aber Wirkungsgrad ist doch Ausgangs- durch
> Eingangsleistung oder nicht
Doch
> und cos phi ist doch die Phasenverschiebung.
Nein. Phi ist der Phasenverschiebungswinkel
> Ich hab im Inet recherchiert und wenn ich es richtig verstehe, ist cos
> phi etwas anderes nämlich wirkleistung/scheinleistung.
Richtig. Ist auch als Leistungsfaktor deklariert.
> aber was genau sagt denn nun so ein cos phi aus? ob der nun 0,9 oder 1
> ist?
Das sagt aus, wie viel von der gesamten Leistung Wirkleistung bzw. 
Blindleistung(Scheinleistung) ist. Bei einem cos phi von 1 hast du einen 
reinen ohmschen Verbraucher, also keine Phasenverschiebung zwischen 
Strom und Spannung.

Als Literaturempfehlung:
Gerd Hagmann - Grundlagen der Elektrotechnik. Kostet knapp 20€ und 
erklärt die Sachen auf ziemlich einfachen Niveau.
> ich bin keine ingenieurin, aber ich hab mich mit dem thema umrichter
> schon viel befasst.
Mir scheint, als du dich mit Aufgaben von Ingenieuren rumquälen musst - 
bestätigt durch deine vielen anderen technischen Fragen hier im Forum. 
Haben die dort keine Ingenieure?

von Udo S. (urschmitt)


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Sarah E. schrieb:
> Nun hör ich immer mal den Ausdruck cos phi. Einer meinte, das ist der
> Wirkungsgrad.

falsch

Sarah E. schrieb:
> aber Wirkungsgrad ist doch Ausgangs- durch
> Eingangsleistung

richtig

Sarah E. schrieb:
> Ich hab im Inet recherchiert und wenn ich es richtig verstehe, ist cos
> phi etwas anderes nämlich wirkleistung/scheinleistung.

richtig.

Wenn man sich das für Wechselstrom statt Drehstrom in einem 
Zeigerdiagramm anschaut ist es einfacher.
cos Phi ist einfach der Anteil von Strom oder Spannung, der nicht 
phasenverschoben ist zu der entsprechenden Spannung bzw Strom. Und nur 
das geht in die eigentliche Wirkleistung ein.

Siehe vieleicht nochmal hier:
http://de.wikipedia.org/wiki/Wirkleistung
http://www.elektrotechnik-fachwissen.de/wechselstrom/leistung-wechselstrom.php

von Rene S. (Firma: BfEHS) (rschube)


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Hallo Sarah,

schau dir mal diese Folien an, die zeigen das eigentlich recht 
übersichtlich.
http://k795.ims-firmen.de/agi-online.de/upload/05%20vortr%203%20%20AGI%20Symposium%20Kriegler%20Handout.pdf

Das reicht für die meisten erstmal aus, den Rest können die Experten 
machen.
Das ist ein Beispiel aus der Praxis...

Grüße aus Berlin

von Ralph B. (rberres)


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Bei einen reinen ohmschen Verbraucher ist Strom und Spannung immer in 
Phase.
Bei einen reinen induktiven oder kapazitiven Verbraucher ist Strom und 
Spannung um 90° zueinander verschoben.Sobald ein Widerstand ins Spiel 
kommt wird die Phasnverschiebung zwischen Strom nd Spannung kleiner.
Und zwar um so kleiner je mehr der Widerstand dominiert.

Wenn man jetzt Strom und Spannung miteinander multipliziert sollte die 
Leistung herauskommen. Bei einer rein kapazitiven oder induktiven Last 
ist das Produkt zwischen Strom und Spannung immer Null. Also ist die 
Wirkleistung Null.

Der Generator muss innerhalb einer Periode mal Strom liefern und mal 
Strom verbrauchen (Eben der Blindstrom),der Verbraucher ebenfalls .Das 
ist dann die Blindleistung. Bei rein kapazitiver oder induktiver Last 
ist das Verhältnis genau 50% Es wird fließt also genausoviel Leistung 
zum Vebrbraucher , als vom Verbraucher zum Generator.

Je kleiner der Phasenverschiebungswinkel wird, desto größer wird über 
eine Periode gesehen der Zeitanteil , wo der Generator als Generator 
arbeitet und der Verbraucher als Verbraucher arbeitet.

Dieser Leistungsfaktor drückt letztendlich nur aus wieviel Prozent einer 
Periode der Generator tatsächlich als Generator arbeitet.

Das mag jetzt streng wissenschaftlich vielleicht etwas holprig ( und 
vielleicht auch nicht ganz korrekt ) sein , aber ich hoffe, das das ein 
wenig zum Verständnis beitragen konnte.

Ralph Berres

von Harald W. (wilhelms)


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Sarah E. schrieb:

> ich bin keine ingenieurin,

Nun, als Ingenieurin würde man das Thema wohl über imaginäre Zahlen
behandeln. Als Elektro-Azubi behandelt man es über Dreiecksberech-
nungen, was wesentlich einfacher ist. Völlig ohne Mathematik würde
man sagen, das Blindleistung zwar in den Verbraucher rein fliesst,
wenige Millisekunden später aber wieder rausfliesst, sodas die
Blindleistung im Mittel gleich Null ist. Man sollte es sich aber
gar nicht erst angewöhnen, von Blindstrom zu sprechen, weil es den
nämlich nicht gibt. Die Begriffe Schein-, Wirk- und Blind- machen
nur in Form von Leistungen Sinn.
Gruss
Harald

von Sarah E. (meneymaus)


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Wir haben schon Ingenieure bei uns, aber die sitzen ganz woanders, sind 
meistens beschäftigt und wenn die mir was erklären hab ichs meist nicht 
verstanden^^

Also ich denke ich habs jetzt verstanden....Wenn ich jetzt sagen wir mal 
20% Blindleistung beziehe und 80% Wirk, dann pendelt quasi die 20% 
theoretisch zwischen erzeuger und verbraucher hind und her aber sie geht 
nicht verloren, man kann sie nicht nutzen aber es führt nicht zu einer 
wirkungsgradveränderung.


D.h. wenn ich 100 W aus dem Netzt ziehe bei 20% Blind und nem 
Wirkungsgrad von 90 %, dann kann ich 72 W nutzen, kann man das so sagen?

Warum baut man dann viele umrichter mit nem cos Phi ungleich 1?


Lg Sarah

von Fralla (Gast)


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Auch http://de.wikipedia.org/wiki/Verzerrungsblindleistung
beachten, und die weiterführenden Links.
Ein Umrichter liefert nie eine harmonisch reine Spannung bzw Strom.

von Garden (Gast)


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Jede Menge Videos zum Thema gibt es bei ET-Tutorials.de

http://et-tutorials.de/wechselstrom/

von Busbauer (Gast)


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Sarah E. schrieb:
> D.h. wenn ich 100 W aus dem Netzt ziehe bei 20% Blind und nem
> Wirkungsgrad von 90 %, dann kann ich 72 W nutzen, kann man das so sagen?

Nein nicht ganz Scheinleistung ist eine geometrische ermittelte Größe
Scheinleistung² = Wirk² + Blind²
S² = P² + Q²

Deswegen gibt man das auch nicht als Prozent an.
Um bei deinen 100VA Scheinleistung zu bleiben und deiner 80% Wirk und 
20% Blindleistung Aufteilung

Wirkleistung: 97,01W
Blindleistung: 24,25var
Scheinleistung: 100var
Phi = 14,03°
cos phi = 0,9701

Mit einem Wirkungsgrad von 90% kommst du dann auf 87,31W "an der Welle"

> Warum baut man dann viele umrichter mit nem cos Phi ungleich 1?

Weil es einfacher und billiger ist. Blindleistung entsteht immer dann 
wenn der Strom nicht in Phase mit der Spannung ist. Wenn der Umrichter 
nun Strom mit 100Hz erzeugen soll, das Netz aber 50Hz hat, hat der Strom 
zwangsläufig eine andere Form.
Das kann man auch noch Tricksen indem man 
http://de.wikipedia.org/wiki/Power_Factor_Correction einbaut, was 
natürlich auch wieder Geld kostet.

Außerdem muss man sich mal die Übertragungswege anschauen. Lange 
Leitungen wirken wie ein Kondensator und verschieben den Strom in die 
andere Richtung, aber auch die Erzeuger selbst phasenverschoben Strom 
erzeugen. Mit Blindleistung kann man bei der Energieversorgung auch noch 
Spannung regeln, Kurzschlüsse machen und und und... Das ist aber 
deutlich zu abgehoben für so eine Frage hier.

von Christoph db1uq K. (christoph_kessler)


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cosinus phi, das ist doch der Vater von Ionchen
http://www.big-foot.de/wirbelstrom.htm

Ionchens Vater, Cosinus Phi, bekannter Industriemagnet und 
Leistungsfaktor

von Klaus B. (butzo)


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Sarah E. schrieb:

> aber was genau sagt denn nun so ein cos phi aus? ob der nun 0,9 oder 1
> ist?
Die Betrachtung mit cos phi ist nur für klassische Geräte und Motore 
anwendbar, Grundbedingung ist eine! Frequenz mit (hier .de) 50Hz.

Mit Umrichtern, (Schalt)Netzteilen, EVGs und nichtlinearen Komponenten 
wird der Definitionsbereich verlassen, da diese Oberwellen des Stromes 
erzeugen.

Damit ist die cos phi Angabe nur eingeschränkt sinnvoll.

Anzustreben ist die "1" d.H. es wird nur Wirkleistung transportiert,
bei != 1 pendelt ein Teil der Energie zwischen Generator und 
Verbraucher.
Leider führt auch die pendelnde Blindenergie auf den Leitungen zwischen 
Generator und Verbraucher zu Verlusten in den Leitungswiderständen.


Butzo

von ... (Gast)


Angehängte Dateien:

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siehe oben

von Fralla (Gast)


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Den Schaum im rechten Winkel wegklappen, dann passts.
Und einfach mal Auch 
http://de.wikipedia.org/wiki/Verzerrungsblindleistung durchlesen.

von Sarah E. (meneymaus)


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Wenn ich´eine rechteckförmige Umrichter-Ausgangsspannung und einen 
sinusförmigen Ausgangsstrom betrachte, dann umhüllt das Rechtecksignal 
ja sozusagen das Sinus-Signal.

Wenn beide Signale nun Phasenverschoben sind, ist das der Winkel Phi?

Warum macht man so eine Phasenverschiebung? Einer von der Firma hier hat 
mir gesagt, damit es nicht passieren kann, das Kurzschlussströme fließen 
zwischen den Halbleiterbauelementen (ich betrachte einen einphasigen 
Wechselrichter).

Weiß jemand wie das gemeint ist?

Lg Sarah

von Richi (Gast)


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Der Vergleich mit dem Bierglas, der ständig in diesem Zusammenhang 
genannt wird, ist der größte Blödsinn weil da die Phasenverschiebung auf 
die es ankommt eben nicht erklärt wird.

von Ralph B. (rberres)


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Sarah E. schrieb:
> ich bin keine ingenieurin, aber ich hab mich mit dem thema umrichter
>
> schon viel befasst.

Ohne jetzt herablassend wirken zu wollen, darf man fragen welchen 
Ausbildungsstand , Wissensstand du hast? Hattest du in der Ausbildung 
auch Wechselstromlehre gehabt?


Deinen Wissensstand zu kennen, wäre hilfreich, wenn man dir die 
Phasenverschiebung erklären soll, damit man weis wo man ansetzen kann.

Ralph Berres

von Axel S. (a-za-z0-9)


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Richi schrieb:
> Der Vergleich mit dem Bierglas, der ständig in diesem Zusammenhang
> genannt wird, ist der größte Blödsinn weil da die Phasenverschiebung auf
> die es ankommt eben nicht erklärt wird.

So ungefähr seit Erfindung der Gleichrichterdiode hat sich das mit der 
Phasenverschiebung erledigt. Der Leistungsfaktor hat nur dann den Wert 
cos(\phi) wenn sowohl Strom als auch Spannung Sinusgrößen sind (was 
wiederum eine lineare Last erfordert).

Für andere Strom- bzw. Spannungsverläufe bzw. allgemein für nichtlineare 
Lasten gibt es zwar immer noch Schein-, Blind- und Wirkleistungen. Und 
demgemäß auch immer noch einen Leistungsfaktor. Aber es gibt eben nicht 
mehr nur eine Phasenverschiebung \phi und die Gleichsetzung 
Leistungsfaktor = cos(\phi) ist schlicht falsch

IMHO sollte man diesen Zusammenhang komplett aus allen Lehrbüchern 
streichen oder bestenfalls als historische Randnotiz belassen. Lineare 
Netzwerke hat man heute wenn überhaupt, dann nur noch in der 
Signalverarbeitung. Da braucht man keinen Leistungsfaktor.


XL

von Axel S. (a-za-z0-9)


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Sarah E. schrieb:
> Wenn ich´eine rechteckförmige Umrichter-Ausgangsspannung und einen
> sinusförmigen Ausgangsstrom betrachte, dann umhüllt das Rechtecksignal
> ja sozusagen das Sinus-Signal.
>
> Wenn beide Signale nun Phasenverschoben sind, ist das der Winkel Phi?

Nein. Nach Herrn Fourier kann man ein Rechtecksignal als Überlagerung 
von Sinussignalen ansehen. Eine rechteckförmige Ausgangsspannung wird 
nun aber sicher keinen rein sinusförmigen Strom zur Folge haben. Auch 
der Strom muß also wieder als Überlagerung mehrerer Sinussignale 
verstanden verden.

Das das Ursprungssignal periodisch ist, gibt es Spektralanteile nur bei 
diskreten Frequenzen. Für eine Frequenz f_k hat man nun einen Anteil an 
der Spannung und einen Anteil am Strom. Wenn man die Amplituden 
multipliziert, dann bekommt man die Scheinleistung bei dieser Frequenz. 
Praktisch wird es aber auch eine Phasenverschiebung \phi_k zwischen 
Strom und Spannung geben (immer noch: bei dieser einen Frequenz). Und 
wenn \phi_k != 0 ist, dann ist die Wirkleistung geringer als die 
Scheinleistung. Und zwar genau um den Faktor cos \phi_k. Dummerweise 
wird \phi_k für jedes k einen anderen Wert annehmen, schon für so etwas 
einfaches wie eine RL-Schaltung (Last mit induktivem Anteil, z.B. ein 
Motor).

Um den Gesamtleistungsfaktor zu bekommen, müßte man nun für jede 
Frequenz aus dem Spannungs- bzw. Stromspektrum die jeweilige Schein- und 
Wirkleistung bestimmen und alles aufsummieren. Dann kan man zum Schluß 
den Leistungsfaktor aus Wirkleistung/Scheinleistung berechnen.

Man bekommt so zwar einen Leistungsfaktor, aber eben nicht eine 
Phasenverschiebung. So einfach ist das nur, wenn Strom und Spannung 
jeweils reine Sinusgrößen sind.

> Warum macht man so eine Phasenverschiebung?

Die "macht" man nicht. Die handelt man sich notgedrungen ein, sobald die 
Last etwas anderes als ein ohmscher Widerstand ist.


HTH, XL

von Max Elektroniker (Gast)


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Griaß di,

bei Gleichspannung hast du einen reinen ohmschen Verbraucher.

z.B  Es liegen 24V an einem Widerstand von 24Ohm an, dann fließt ein 
Strom von 1A.

Reine Theorie, weil der Widerstand vom Stromdurchflossen Leiter kommt 
auch noch dazu.
(Abhängig von der Leitfähigkeit, Querschnitt und Länge)

Bei Wechselspannung ist das etwas konplizierter.
Durch die gleichmäßige Umpolung der Spannung wird z.B bei Spulen 
induktivität ausgelöst.
 (Beim Motor z.B, oder bei einer Herdplatte. Wegen deren Wicklungen und 
des Magnetfeldes das entsteht)

Es entsteht Blindleistung die wir nicht nutzen können, . Sie erhöht den 
Stromverbrauch und belastet unsere  Leitung.
Somit ist auf der Leitung weniger platz für andere Verbraucher.

Dieser induktiver Blindwert wirkt sich auf unsere Sinusform aus und 
bringt sie aus dem Ruder.

Theoretisch hätte man bei einem cos phi von 1 keinerlei Blindleistung 
auf der Leitung.

Haben wir eine induktive Belastung so verschiebt sich die Sinusspannung, 
unser cos Phi wird kleiner.

P= √3 (wegen Drehstrom im Dreieck) U x I x Cos Phi

Induktive Belastung auf der Leitung bewirkt das gegenteil, cos Phi wird 
größer.

(Beide Optionen verursachen höhere Belastung des Netzes)

Deshalb kann man Induktive oder Kapazitive Belastungen gegeneinander 
aufheben.
Das nennt man Kompensieren

In der Praxis gibt es keinen cos phi von 1, man kompensiert das Netz auf 
nen Faktor von 0,9, weil die Gefahr besteht überzukompensieren.

Kapazitive Last wollen wir aufgarkeinen Fall im Netz haben, weil diese 
Signale stören kann und somit IT Netze stört.
Das kann auch bei parallelkompensation passieren.

Btw. Ein Cos Phi von 0,9 (RAD) wären 25,8° (GRAD) Proportional mit dem 
Pytagoras auszurechnen.
Anhand der Werte, höher der Spannung und der Frequenz kann man eine 
Sinusspannung konstruieren/zeichnen.
Sehr spannend ! :'D

(Bitte korrigiert mich falls etwas nicht stimmt ;))

vg :)

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