Leistungsfaktor und Harmonische Oberwellen: Einfach erklärt

Wenn Sie jemals von Begriffen wie Leistungsfaktor, Kosinus Phi oder Harmonischen Oberwellen im Zusammenhang mit einer LED-Beleuchtungsinstallation verwirrt wurden, dann ist dieser Artikel für Sie. Unser Experte, Adriaan Van Nuffel, erklärt es einfach.

Die Rolle von Kosinus Phi

Eine elektrische Installation wird mit Wechselstrom (AC) betrieben. Dabei ändert sich die Spannung (in Volt) ständig die Richtung, was zu einem sinusförmigen Profil führt. Bei Belastung der Installation, zum Beispiel beim Einschalten des Lichts, fließt ein Strom (in Ampere), der im einfachsten Fall - abhängig von der Art der Lichtquelle oder des elektrischen Geräts - ebenfalls eine sinusförmige Form annimmt.

Manchmal gibt es eine Verschiebung zwischen dem Zeitpunkt, an dem der Strom die Richtung ändert, und dem Zeitpunkt, an dem die Spannung die Richtung ändert. Diese Phasenverschiebung wird durch den 'Kosinus Phi' quantifiziert. Im Idealfall gibt es keine Phasenverschiebung, und dann ist der Kosinus Phi = 1. Die Phasenverschiebung entsteht durch induktive oder kapazitive Elemente in der Installation.

Cos ɸ : Der Zusammenhang zwischen Spannung und Strom

Wenn der Kosinus Phi nicht gleich 1 ist, sondern zum Beispiel nur 0.8, wird die Installation mehr Strom vom Netz benötigen, um die gleiche nutzbare Leistung zu liefern. Das ist nicht gut, denn ein höherer Strom führt zu mehr Verlusten durch Erwärmung der elektrischen Kabel.

Harmonische Oberwellen in der elektrischen Welt

Heutzutage bestehen viele elektrische Geräte, einschließlich LED-Leuchten, aus elektronischen Schaltungen, die keinen kontinuierlichen Strom aus dem Netz beziehen, sondern kurze Impulse erzeugen. Dies führt zu einem Stromprofil, das nicht mehr sinusförmig ist, sondern eine unregelmäßige Form aufweist.

Diese unregelmäßige Form kann mathematisch in eine Summe mehrerer sinusförmiger Profile umgewandelt werden, deren Frequenz jeweils ein Vielfaches von 50 Hertz beträgt. Dies sind die Harmonischen Oberwellen: Die erste Harmonische Oberwelle hat eine Frequenz von 50 Hz, die dritte Harmonische Oberwelle hat eine Frequenz von 150 Hz, die fünfte hat eine Frequenz von 250 Hz usw.

Nur die erste Harmonische Oberwelle liefert nutzbare Leistung! (Dies liegt an einem mathematischen Prinzip, das mit der Wechselwirkung verschiedener Frequenzen in Sinus- und Kosinuswellen zusammenhängt). Dies wird als aktive, wirkende oder reale Leistung bezeichnet. Die anderen Harmonischen Oberwellen erfordern jedoch zusätzlichen Strom aus dem Netz und führen daher zu zusätzlichen Verlusten. Dies wird als Schein-, reaktive oder Blindleistung bezeichnet.

Darüber hinaus können höhere Harmonische Oberwellen den Betrieb anderer an das Netz angeschlossener Geräte beeinflussen.

All dies wird durch die Gesamtharmonische Verzerrung (THD) gemessen, die die Summe aller Ströme der höheren Harmonischen Oberwellen dividiert durch den Strom der ersten Harmonischen Oberwelle ist.

THD: Ein Maß für Stromverzerrung

Ein perfekt sinusförmiger Strom hat keine Harmonischen Oberwellen, und daher gilt THD = 0. Wenn der von den höheren Harmonischen Oberwelle geforderte Strom ansteigt, steigt auch die THD.

Die Bedeutung des Leistungsfaktors

Der Leistungsfaktor (PF) berücksichtigt sowohl die Auswirkungen der Harmonischen als auch des Kosinus Phi. Somit werden diese beiden negativen Effekte in einer einzigen Zahl bewertet:

• Die Verschiebung des Stroms im Verhältnis zur Spannung (Kosinus Phi)
• Die Verzerrung des Stroms im Vergleich zu einer perfekten Sinuswelle (THD)

Leistungsfaktor: Ein Gleichgewicht zwischen Cos Phi und THD

Im Idealfall ist der Leistungsfaktor gleich 1. Wenn der Kosinus Phi zu niedrig ist oder die THD zu hoch ist, wird der Wert des Leistungsfaktors abnehmen.

ETAP-Beleuchtung und Leistungsfaktor

• Gemäß der Norm EN61000-3-2 wird für elektrische Geräte mit einer Leistung von mehr als 25 Watt ein Mindestleistungsfaktor (PF) von 0,9 vorausgesetzt. ETAP-Leuchten mit einer Leistung über 25 W haben daher immer einen Leistungsfaktor PF > 0,9. 
   
• Das Problem tritt normalerweise bei elektrischen Geräten mit einer Leistung von weniger als 25 Watt auf. Diese können einen sehr schlechten Leistungsfaktor haben. Dies kann zum Beispiel bei Telefonladegeräten, Computern, Fernsehbildschirmen, aber auch bei schwach leuchtenden LED-Lampen (Wohnungsmarkt) oder minderwertigen LED-Röhren der Fall sein.
   
• Es gibt keine Probleme, wenn nur wenige Geräte einen niedrigen Leistungsfaktor haben. Wenn jedoch in einer gesamten Installation Leuchtstofflampen durch LED-Röhren mit einem schlechten Leistungsfaktor ersetzt werden, wird dies zu viel Strom vom Netz fordern. Dies kann zu durchgebrannten Sicherungen, zusätzlichen Stromkosten usw. führen.