Entstehung von Blindstrom 1.
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4<br />
<strong>1.</strong><br />
Kompensationsanlage<br />
<strong>Entstehung</strong> <strong>von</strong> <strong>Blindstrom</strong><br />
Elektrogeräte im Privatbereich und in der Wirtschaft<br />
werden überwiegend mit Wechselspannung betrieben.<br />
Die Frequenz dieser Wechselspannung beträgt 50 Hz. Der<br />
Effektivwert der Spannung ist 230 Volt.<br />
In Bild 1 ist der zeitliche Verlauf der Wechselspannung dargestellt.<br />
Der Augenblickswert der Spannung ändert sich<br />
ständig zwischen einem positiven und einem negativen<br />
Maximalwert. Der Betrag dieses Maximalwertes lässt sich<br />
errechnen, indem man den Effektivwert mit dem Faktor<br />
√⎯2 multipliziert.<br />
Dabei ergibt sich eine maximale Spannung û = 325 V.<br />
Bild 1: Zeitlicher Verlauf der sinusförmigen Wechselspannung U<br />
Bild 2: Zusammenhang zwischen Spannung, Strom und<br />
Leistung bei sinusförmiger Wechselspannung und<br />
ohmscher Belastung<br />
<strong>1.</strong>1<br />
Ohmsche Last an Wechselspannung<br />
Wenn an diese Versorgungsspannung elektrische Verbrauchsmittel<br />
angeschlossen werden, die ohmsche Widerstände<br />
darstellen, dann verhält sich zu jedem Zeitpunkt<br />
der Strom proportional zur Spannung, d. h., wenn die<br />
Spannung am größten ist, ist auch der Strom am größten;<br />
wenn die Spannung 0 Volt beträgt, beträgt auch der<br />
Strom 0 Ampere. Dieser Zusammenhang ist grafisch in<br />
Bild 2 dargestellt.<br />
Aus der Multiplikation des Stromes mit der Spannung<br />
ergibt sich die Leistung, die im elektrischen Betriebs mittel<br />
umgesetzt wird. Auch die Leistung ist nicht zu jedem Zeitpunkt<br />
gleich. Wenn der Strom bzw. die Spannung den<br />
Wert 0 hat, hat auch die Leistung den Wert 0. Wenn der<br />
Strom oder die Spannung einen Maximalwert hat, ist auch<br />
die Leistung am größten.<br />
Bei positiver Spannung ist auch der Strom positiv; bei<br />
negativer Spannung hat auch der Strom ein negatives<br />
Vorzeichen. Das Produkt aus Strom und Spannung ist<br />
immer positiv, d. h., im elektrischen Verbrauchsmittel wird<br />
zu jedem Zeitpunkt elektrische Energie in eine andere<br />
Energieform umgesetzt.<br />
Bild 3: Zusammenhang zwischen Spannung, Strom und<br />
Leistung bei sinusförmiger Wechselspannung und<br />
induktiver Belastung
<strong>1.</strong>2<br />
Induktive Last an Wechselspannung<br />
Werden elektrische Verbrauchsmittel an Wechselspannung<br />
angeschlossen, deren Verhalten nicht nur durch<br />
ohmsche Widerstände bestimmt wird, sondern auch durch<br />
induktive Anteile, dann sind Strom und Spannung nicht<br />
mehr phasengleich. Der Strom eilt der Spannung um den<br />
Phasenwinkel � nach. Solche elektrischen Verbrauchsmittel<br />
sind z. B. die Motoren <strong>von</strong> Kreissägen, Hobelmaschinen,<br />
Schleifmaschinen, Bohrmaschinen usw.<br />
Im ohmschen Widerstand fließt zu jedem Zeitpunkt ein<br />
Strom, der zur Spannung proportional ist. Das Produkt<br />
aus der Spannung und dem Strom ergibt die Leistung.<br />
Diese Leistung wird häufig als Wirkleistung bezeichnet.<br />
Gleichzeitig fließt aber im induktiven Widerstand ein der<br />
Spannung um 90° nacheilender Strom. Dieser <strong>Blindstrom</strong><br />
überlagert den Wirkstrom und führt zu einer Phasenverschiebung<br />
zwischen der Spannung und dem Strom (Bild 3,<br />
→ S. 4). Er trägt aber nicht zur Wirkleistung (nutzbare Leistung)<br />
bei, sondern dient dem Aufbau des Magnetfeldes.<br />
Im Magnetfeld wird aber keine Energie genutzt, sondern<br />
nur zwischengespeichert. Beim Abbau des magnetischen<br />
Feldes wird diese gespeicherte Energie wieder in das Netz<br />
zurückgegeben. Sie fließt also zwischen dem Stromerzeuger<br />
und dem elektrischen Betriebsmittel hin und her. In<br />
Bild 4 ist dieser Vorgang schematisch dargestellt.<br />
Bild 4: Leistungsbilanz bei der Energieübertragung<br />
Aufgabe 1:<br />
Nennen Sie drei elektrische Verbrauchsmittel, die in<br />
der Tischlerei zur <strong>Entstehung</strong> <strong>von</strong> induktivem <strong>Blindstrom</strong><br />
führen.<br />
Aufgabe 2:<br />
Nennen Sie drei elektrische Verbrauchsmittel, die in<br />
einer Anlage keinen <strong>Blindstrom</strong> erzeugen.<br />
2.<br />
Kompensationsanlage 5<br />
Grundlagen der<br />
Blindleistungskompensation<br />
Bild 5 zeigt das Parallelersatzschaltbild eines elektrischen<br />
Verbrauchsmittels mit induktivem Widerstandsanteil. Durch<br />
den induktiven Widerstand fließt der <strong>Blindstrom</strong> I B . Durch<br />
den ohmschen Widerstand fließt der Wirkstrom I W .<br />
Bild 5: Parallelersatzschaltbild und Zeigerdiagramm eines<br />
induktiven elektrischen Betriebsmittels<br />
Zwischen dem Wirkstrom und der Betriebsspannung be -<br />
steht keine Phasenverschiebung. Der induktive <strong>Blindstrom</strong><br />
ist gegenüber der Betriebsspannung bzw. gegenüber dem<br />
Wirkstrom um 90 ° phasenverschoben. Die geometrische<br />
Addition der beiden Ströme ergibt den Gesamtstrom I.<br />
Der tatsächlich fließende Strom ist wesentlich größer als<br />
der Strom, der im elektrischen Verbrauchsmittel zu einer<br />
nutzbaren Leistung führt. Das Verhältnis des Wirkstromes<br />
I W zum Gesamtstrom I ergibt sich aus dem Kosinus des<br />
Phasenverschiebungswinkels.<br />
cos � = I W<br />
I<br />
Da die im Versorgungsnetz übertragene Leistung in einem<br />
direkten Verhältnis zum fließenden Strom steht, kann man<br />
sagen: Der cos � gibt an, welcher Teil der Gesamtleistung<br />
vom elektrischen Verbrauchsmittel genutzt wird.<br />
Je geringer der Anteil der genutzten Leistung ist, umso<br />
mehr Leistung muss im Versorgungsnetz zur Verfügung<br />
gestellt werden, um bei einem elektrischen Betriebsmittel<br />
einen vorgegebenen Bedarf zu decken. Daher ist es sinn-
6<br />
Kompensationsanlage<br />
voll, einen cos � anzustreben, der einen Wert <strong>von</strong> annähernd<br />
1 hat. Die gesamte zugeführte Leistung wird dann<br />
nahezu ausgenutzt.<br />
Eine volle Ausnutzung der zugeführten Leistung erfolgt<br />
dann, wenn in der Zuleitung zum elektrischen Verbrauchsmittel<br />
kein <strong>Blindstrom</strong>, sondern nur Wirkstrom fließt. Dieses<br />
lässt sich erreichen, wenn dem Stromkreis ein Kondensator<br />
hinzugefügt wird, in dem ein kapazitiver <strong>Blindstrom</strong><br />
(d. h., ein Strom, der der Spannung um 90° vorauseilt)<br />
fließt, der so groß ist, dass er den induktiven <strong>Blindstrom</strong><br />
ausgleicht (kompensiert).<br />
Bild 6: Zeitlicher Zusammenhang zwischen induktivem und<br />
kapazitivem <strong>Blindstrom</strong><br />
Während im induktiven Widerstand ein positiver Strom<br />
fließt, fließt gleichzeitig im kapazitiven Widerstand ein<br />
gleich großer negativer Strom. Während der Strom im<br />
induktiven Widerstand negativ ist, fließt ein positiver<br />
Strom im kapazitiven Widerstand. Die Summe dieser beiden<br />
Blindströme ist zu jedem Zeitpunkt 0. Dadurch ist<br />
sichergestellt, dass dem Versorgungsnetz nur noch Wirkstrom<br />
entnommen wird.<br />
Bild 7: Zeigerdiagramm bei vollkommen kompensiertem <strong>Blindstrom</strong><br />
Bei der Betrachtung des Zeigerdiagramms erkennt man,<br />
dass bei gleicher Größe <strong>von</strong> kapazitivem <strong>Blindstrom</strong> l C und<br />
induktivem <strong>Blindstrom</strong> l L diese beiden Ströme sich gegenseitig<br />
aufheben. Der Gesamtstrom I entspricht dann dem<br />
Wirkstrom l W .<br />
3.<br />
Aufgabe 3:<br />
Welcher im Versorgungsnetz fließende Strom führt<br />
in der Verbraucheranlage zu einer nutzbaren Leistung?<br />
� Wirkstrom l W<br />
� Gesamtstrom l<br />
� <strong>Blindstrom</strong> l B<br />
Ausführungen <strong>von</strong><br />
Kompensationsanlagen<br />
Bei der Realisierung <strong>von</strong> <strong>Blindstrom</strong>kompensationsanlagen<br />
werden drei unterschiedliche Arten ausgeführt.<br />
Bei der Einzelkompensation wird jedem induktiven elektrischen<br />
Verbrauchsmittel eine Kondensatoreinheit parallel<br />
geschaltet. Das elektrische Verbrauchsmittel und die Kondensatoreinheit<br />
sind fest miteinander verbunden.<br />
Beim Einschalten des elektrischen Verbrauchsmittels wird<br />
gleichzeitig der Kondensator mit ans Netz geschaltet.<br />
Diese Art der Kompensation wird häufig vorgesehen,<br />
wenn nur einzelne größere elektrische Verbrauchsmittel<br />
kompensiert werden sollen, ansonsten aber eine Kompensation<br />
der Gesamtanlage nicht vorgesehen ist, und<br />
bei Leuchtstofflampen.<br />
Dieses ist z. B. der Fall, wenn in einem Betrieb nur ein<br />
geringer <strong>Blindstrom</strong>bedarf vorhanden ist, aber häufiger<br />
ein großes Schweißgerät benutzt wird, das einen sehr<br />
„schlechten“ cos � hat.<br />
In dem in diesem Ausbildungsheft betrachteten Tischlereibetrieb<br />
findet für die Leuchtstofflampenleuchten die<br />
Einzelkompensation Anwendung. Es sind Leuchten mit<br />
zwei Lampen eingesetzt, die in Duoschaltung betrieben<br />
werden.<br />
Durch die Verwendung kompensierter Leuchten in Duoschaltung<br />
wird der stroboskopische Effekt (Flimmereffekt)<br />
der Lampen erheblich vermindert.<br />
Bei der Gruppenkompensation wird für mehrere elektrische<br />
Verbrauchsmittel, die gleichzeitig geschaltet werden,<br />
eine gemeinsame Kondensatoreinheit vorgesehen.<br />
Ihre Größe ist so bemessen, dass sie den induktiven <strong>Blindstrom</strong><br />
der gesamten elektrischen Verbrauchsmittelgruppe<br />
kompensieren kann.<br />
Der Kondensator wird zusammen mit den elektrischen<br />
Ver brauchsmitteln eingeschaltet und ausgeschaltet.