Autor: Olaf Böcker

Kompensation von elektrischen Anlagen 

Allgemeine Grundlagen

Viele elektrische Verbraucher entnehmen dem Netz neben der nutzbaren
Wirkleistung auch Blindleistung , die z.B. bei Motoren und Transformatoren als Magnetisierung und bei Stromrichtern als Steuer- und Kommutierungsblindleistung auftritt. Ihr Transport ist unwirtschaftlich, da sie in keine andere nutzbare Energieformen umgesetzt wird.

Für die Erzeugung und den Transport der elektrischen Energie werden Betriebs-
mittel wie Generatoren, Freileitungen, Kabel, Transformatoren und Schalt-
anlagen benötigt. Diese Betriebsmittel müssen also zusätzlich zur nutzbaren
Wirkleistung auch Blindleistung bereitstellen und transportieren. Das ist
unwirtschaftlich. Die Energiekosten werden um so günstiger, je weniger Blind-
arbeit eine Anlage verbraucht, d.h., je größer ihr Leistungsfaktor cos_ _ist.

Es gibt 3 wesentliche Möglichkeiten den Leistungsfaktor zu verbessern :

1. Verbesserung mit Hilfe von Kondensatoren
2. Verbesserung durch umlaufende Phasenschieber
3. Verbesserung durch Zuschalten von Wirkleistung

Da die 2. und 3. Möglichkeit der Kompensation nicht sehr häufig gebraucht werden, beschränke ich mich, nach einer kurzen Erläuterung der Funktionsweise
dieser Möglichkeiten, auf die Kompensation mit Kondensatoren.

Kompensation durch umlaufende Phasenschieber

Umlaufende Phasenschieber, z.B. Synchronmaschinen, geben bei Übererregung
kapazitive Blindleistung an das Netz ab, und gleichen somit die induktive
Blindleistung aus. Sie werden aber hauptsächlich in großen Ringnetzen auf
der Hochspannungsseite eingesetzt. In Energieversorgungsanlagen auf der
Niederspannungsseite und bei örtlichen Energieversorgungsunternehmen spielt
diese Art der Kompensation aber keine Rolle mehr.

Kompensation durch Zuschalten von Wirkleistung

Unter besonderen Tarifbedingungen kann es wirtschaftlich sein, durch Zuschalten von Heizwiderständen (cos_ = 1) für die Warmwasserbereitung
oder Wärmeöfen den Leistungsfaktor durch diese Wirkleistung |P zu
verbessern. Die nötige induktive Blindleistung QL bleibt dabei konstant.

Kompensation mit Hilfe von Kondensatoren

Durch eine verbrauchernahe Blindstromkompensation mit Leistungs-
kondensatoren direkt am Niederspannungsnetz können die Übertragungs-
einrichtungen entlastet werden, da die Blindleistung nicht mehr vom Netz
geliefert, sondern von den Kondensatoren bereitgestellt wird (siehe Grafik 4).

Die Übertragungsverluste werden verringert, die Energieverbrauchskosten gesenkt und kostspielige Erweiterungen unnötig, denn mit den gleichen Betriebs-
mitteln kann man durch Blindstromkompensation mehr Wirkleistung übertragen.
Kondensatoren können zur Einzel-, Gruppen- oder zur Zentralkompensation ein-
gesetzt werden. In der Praxis wird von vielen Elektrizitätsversorgungs-
unternehmen ein Leistungsfaktor cos ___ 0,9 vorgeschrieben.

Bestimmung der Kondensatorleistung :

Eine Anlage mit der installierten Wirkleistung P soll vom Leistungsfaktor cos _1
auf einen Leistungsfaktor cos _2 kompensiert werden. Die hierfür notwendige
Kondensatorleistung errechnet sich zu :

Qc = P (tan_1 - tan_2)

Durch die Kompensation verringert sich die übertragene Scheinleistung S. Die
ohmschen Übertragungsverluste nehmen mit dem Quadrat der Ströme ab.

Ermittlung der Blindleistung in Betriebsnetzen

Bei Anlagen, die sich noch im Projektierungsstadium befinden, kann man
näherungsweise davon ausgehen, daß die Blindleistungsverbraucher in erster
Linie Asynchronmotoren sind, die mit einem mittleren Leistungfaktor cos_ = 0,7
arbeiten. Zur Kompensation auf cos_ = 0,9 wird eine Kondensatorleistung von
etwa 50 % der Wirkleistung benötigt :

Qc _ 0,5 P

Bei Anlagen, die bereits in Betrieb sind, kann die erforderliche Kondensator-
leistung durch Messungen festgestellt werden. Wenn Wirk- und Blindarbeits-
zähler vorhanden sind, kann der Bedarf an Kondensatorleistung aus den monatlichen Stromrechnungen entnommen werden. Er berechnet sich aus :

Qc = AB - (Aw · tan_2) / t

AB = Blindarbeit [kvarh]
AW = Wirkarbeit [kWh]
t = Betriebszeit [h]

tan_2 ist abhängig vom cos_2 nach folgender Tabelle

Umrechnung von cos_ in 1/cos_ und tan_ :

cos_ 1/cos_ tan_

-

0,40 2,50 2,29
0,45 2,22 1,98
0,50 2,00 1,73
0,55 1,82 1,52
0,60 1,67 1,33
0,65 1,54 1,17
0,70 1,43 1,02
0,75 1,33 0,88
0,80 1,25 0,75
0,85 1,18 0,62
0,90 1,11 0,48
0,95 1,05 0,33
1,00 1,00 0,00

Sind keine Blindarbeitszähler vorhanden, kann die Kondensatorleistung durch den Einsatz von Blind- und Wirkleistungsschreibern ermittelt werden.

Beispiel :

Kompensation einer Anlage ; Nennspannung 400 V von cos_1 = 0,6 auf cos_2 = 0,9

1. Bei einer Unkompensierten Anlage errechnen sich folgende Werte :

Wirkleistung P = 550 kW
Leistungsfaktor cos_1 = 0,6

daraus ergibt sich die
Scheinleistung S1 = P · 1 / cos_1 = 550 kW · 1,67

S1 = 550 kW · 1 / 0,6

S1 = 920 kVA

und der Scheinstrom I1 = (1 / 3) · (S1 / U)

I1 = (1 / 3) · (920 kVA / 400 V)
I1 = 1330 A

2. Bei einer Kompensierten Anlage errechnen sich folgende Werte :

Leistungsfaktor cos_2 0,9
dafür erforderliche
Kondensatorleistung Qc = P (tan_1 - tan_2)

Qc = 550 kW (1,33 - 0,48)

Qc = 470 kvar

Scheinleistung S2 = P · 1 / cos_2

S2 = 550 kW · 1 / 0,9
S2 = 610 kVA

Scheinstrom I2 = (1 / 3) · (S2 / U)

I2 = (1 / 3) · (610 kVA / 400 V)
I2 = 880 A

(S1 - S2) / S1 = 0,34
(I1²-I2²) / I1² = 0,56

Durch die Kompensation von cos_1 = 0,6 auf cos_2 = 0,9 kann 34% mehr
Wirkleistung übertragen werden. Die Übertragungsverluste verringern sich
um 56% .