Mit PFC-Drosseln den Leistungsfaktor von elektrischen Verbrauchern verbessern

Paul-Martin Kamprath | Leitung Marketing | pk components GmbH

In industriellen und gewerblichen Anwendungen spielt der Leistungsfaktor eine entscheidende Rolle für die Energieeffizienz. Ein niedriger Leistungsfaktor führt zu höheren Netzverlusten, unnötigen Kosten und kann die Netzstabilität negativ beeinflussen. Besonders in Anlagen mit vielen elektrischen Verbrauchern, die induktive Lasten verursachen – wie Elektromotoren, Transformatoren oder Frequenzumrichter – ist die Optimierung des Leistungsfaktors von großer Bedeutung. Eine bewährte Methode zur Korrektur des Leistungsfaktors ist der Einsatz von PFC-Drosseln (Power Factor Correction Drosseln). Sie reduzieren Blindleistung, begrenzen Netzrückwirkungen und verbessern die Gesamtenergieeffizienz. Doch wie genau funktionieren PFC-Drosseln, wann sind sie sinnvoll und welche Vorteile bieten sie?

Was ist der Leistungsfaktor und warum ist er wichtig?

Der Leistungsfaktor (cos φ) beschreibt das Verhältnis zwischen der tatsächlich genutzten Wirkleistung und der gesamten Scheinleistung in einem elektrischen System. Ein optimaler Leistungsfaktor liegt nahe bei 1, während ein schlechter Leistungsfaktor meist auf eine hohe Blindleistung (Q) zurückzuführen ist. Die Scheinleistung ist die geometrische Addition der Wirk- und der Blindleistung.

Verhältnis der Scheinleistung (S) zur Wirkleistung (P) über den Leistungsfaktor cos φ

Ein niedriger Leistungsfaktor entsteht vor allem durch induktive Lasten, wie Elektromotoren, Vorschaltgeräte oder Transformatoren. Diese Verbraucher erzeugen eine Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung, wodurch ein Teil der aufgewendeten Energie nicht in tatsächliche Arbeitsleistung umgewandelt wird. Stattdessen zirkuliert diese Blindleistung unnötig im Netz und belastet die Infrastruktur. Die Folgen sind höhere Energiekosten, Spannungsabfälle und eine schlechtere Netzqualität. In vielen Fällen erheben Netzbetreiber zusätzliche Gebühren für eine übermäßige Blindleistungsaufnahme, was die Betriebskosten weiter erhöht. Durch geeignete Maßnahmen zur Leistungsfaktorkorrektur (PFC – Power Factor Correction) kann dieser Effekt kompensiert werden. Eine der effizientesten Lösungen dafür sind PFC-Drosseln, die für eine Reduzierung der Blindleistung sorgen und so den Wirkungsgrad der gesamten elektrischen Anlage verbessern.

Funktionsweise von PFC-Drosseln

PFC-Drosseln arbeiten nach einem einfachen, aber wirkungsvollen Prinzip: Sie beeinflussen die Phasenlage von Strom und Spannung, um die Blindleistung zu minimieren. Dabei übernehmen sie eine Art Regelfunktion im elektrischen System, indem sie den Stromfluss glätten und Oberschwingungen begrenzen.

Elektrische Verbraucher mit induktiven Lasten verschieben die Phasenlage zwischen Strom und Spannung, sodass der Strom der Spannung hinterherhinkt. PFC-Drosseln wirken diesem Effekt entgegen, indem sie eine gezielte Gegeninduktivität erzeugen. Dadurch wird der Blindstrom reduziert und der Leistungsfaktor verbessert.

Während passive PFC-Drosseln mit festgelegten Induktivitäten arbeiten, nutzen aktive PFC-Systeme elektronische Schaltungen, um den Stromfluss dynamisch zu steuern. Aktive PFC-Systeme sind besonders in Anwendungen mit stark schwankenden Lasten vorteilhaft, da sie den Leistungsfaktor unabhängig von der Betriebsbedingung auf einem hohen Niveau halten. Aktive PFC-Systeme verwenden aktive Bauelemente wie Controller und MOSFETs. Passive PFC-Schaltungen sind einfach und kostengünstig, allerdings lässt sich mit aktiven PFC-Systemen der Leistungsfaktor erst auf über ca. 0,7 bringen. PFC-Drosseln in passiven Schaltungen werden in Serie vor das Netzteil geschaltet, fallen jedoch in der Regel groß und schwer aus – ein Effekt, der sich mit steigender Leistung verstärkt. Aus diesen Gründen finden sich passive PFC-Lösungen vorrangig bei Netzteilen im kleineren Leistungsbereich.

Neben der Korrektur der Phasenverschiebung haben PFC-Drosseln einen weiteren entscheidenden Vorteil: Sie reduzieren Oberschwingungen der Eingangströme, die durch nichtlineare Verbraucher wie Frequenzumrichter oder Schaltnetzteile entstehen. Die Eingangströme sind nicht mehr sinusförmig und verzerrt. Diese verzerrte Wellenform setzt sich aus einer Summe höherfrequenter Oberschwingungen zusammen (Fourieranalyse). Die Oberschwingungen können Störungen im Netz verursachen, die zu unerwarteten Spannungsschwankungen, einer höheren thermischen Belastung elektrischer Bauteile und einem vorzeitigen Verschleiß von Betriebsmitteln führen. PFC-Drosseln dämpfen diese unerwünschten Effekte, indem sie als Filter fungieren und diese hochfrequente Störungen aus dem Netz eliminieren. Dadurch verbessert sich nicht nur der Leistungsfaktor, sondern auch die gesamte Netzqualität.

Vorteile des Einsatzes von PFC-Drosseln

Der Einsatz von PFC-Drosseln bietet zahlreiche wirtschaftliche und technische Vorteile. Durch die Reduzierung der Blindleistung sinken nicht nur die Energiekosten, sondern auch mögliche Gebühren des Netzbetreibers. Ein optimierter Leistungsfaktor bedeutet, dass weniger Strom ungenutzt im Netz zirkuliert und elektrische Anlagen effizienter arbeiten. Dadurch reduziert sich auch die thermische Belastung von Kabeln und Transformatoren, was die Lebensdauer dieser Komponenten verlängert und Instandhaltungskosten senkt.

Ein hoher Leistungsfaktor sorgt für eine stabilere Netzspannung und minimiert Spannungseinbrüche, die zu Störungen und Ausfällen in empfindlichen Produktionsprozessen führen können. Gerade in Industriebetrieben mit automatisierten Fertigungslinien ist eine konstante Spannung essentiell, um eine gleichbleibende Qualität der Produktion zu gewährleisten.

Erfüllung gesetzlicher Vorschriften und Vermeidung von Strafen

In vielen Ländern und bei zahlreichen Netzbetreibern gelten Vorschriften, die einen Mindestleistungsfaktor von 0,9 oder höher fordern. Unternehmen, die diesen Wert nicht einhalten, müssen mit finanziellen Sanktionen oder zusätzlichen Netzentgelten rechnen. Durch den gezielten Einsatz von PFC-Drosseln lassen sich solche Kosten vermeiden. Für Geräte mit einer Leistungsaufnahme >75 W (bzw. >25 W bei LED-Treibern) ist eine Leistungsfaktorkorrektur seit 2001 verpflichtend (IEC/EN 61000-3-2). Schaltnetzteile, Gleichrichter und ähnliche Verbraucher müssen durch aktive oder passive PFC-Maßnahmen den Leistungsfaktor auf mindestens 0,9–0,98 anheben.

Materialien für PFC-Drosseln

Die Wahl der Materialien ist entscheidend für die Effizienz und Lebensdauer von PFC-Drosseln. Die wichtigsten Materialien sind:

• Ferritkerne: Diese haben eine hohe magnetische Permeabilität und sind besonders effizient bei hohen Frequenzen, weshalb sie oft in aktiven PFC-Drosseln eingesetzt werden.
• Eisenpulverkerne: Diese bieten eine hohe Sättigungsfestigkeit und sind widerstandsfähig gegenüber Magnetisierungsverlusten, was sie ideal für Anwendungen mit hoher Leistungsaufnahme macht.
• Kupfer- oder Aluminiumwicklungen: Die Spulen der Drosseln bestehen in der Regel aus Kupfer oder Aluminium, wobei Kupfer die bessere Leitfähigkeit bietet, jedoch auch erheblich teurer ist.

Ein wichtiger Punkt ist die Verwendung von Kernen mit Luftspalt. PFC-Drosseln arbeiten im Einschaltbetrieb mit hohen Stromflanken und einem erheblichen Gleichstromanteil. Würde man dafür einen geschlossenen Ferritkern ohne Luftspalt verwenden, geriete der Kern bei höheren Strömen schnell in die magnetische Sättigung – der Induktivitätswert würde einbrechen, und die Drossel könnte ihre Funktion nicht mehr erfüllen. Ein gezielter Luftspalt im Kern – meist bei E-Kernen als Spalt in der Mittelbeinsäule, bei Ringkernen als verteilte Luftspalte im Material – erhöht die magnetische Speicherfähigkeit, stabilisiert die Induktivität und ermöglicht eine gleichmäßige Energieübertragung über den gesamten Arbeitsbereich. Der Luftspalt wirkt wie eine Art "magnetischer Puffer", der den Stromanstieg dämpft und gleichzeitig die Energiespeicherung im Magnetkreis verbessert. Die vorteilhafte Einbringung Luftspalten ist der Grund warum nanokristalline Kerne nur schwer geeignet sind für den Einsatz bei PFC-Drosseln. Das Material ist empfindlicher und kann leichter brechen. Bei geschlossenen Kernen ist diese Eigenschaft unkritisch, da ein Schutzlack ihn umhüllt.

Die Vorteile der Verwendung von Luftspalte im Überblick:

• Vermeidung der magnetischen Sättigung bei hohen Strömen
• Konstante Induktivität bei wechselnden Lastbedingungen
• Thermische Entlastung des Kerns durch stabileren Betrieb
• Höhere Effizienz und Regelgüte der gesamten PFC-Schaltung