Worum geht es?
Der Leistungsfaktor sagt, wie viel von der gelieferten Leistung wirklich genutzt wird. Man schreibt ihn meist cos φ (Kosinus phi). Er hat keine Einheit und liegt zwischen 0 und 1.
Wie beim Bier im Glas: Ist das Glas ganz voll Bier ohne Schaum, ist cos φ = 1. Das ist beim Heizstab so. Bei cos φ = 0,8 kommen nur 80 % der Scheinleistung als Wirkleistung an. Je mehr Schaum, also Blindleistung, im Glas ist, desto kleiner wird cos φ.
Je kleiner der Leistungsfaktor, desto mehr Strom muss fließen, damit dieselbe Arbeit erledigt wird.
Die Formel
Streng genommen gilt cos φ nur bei reinen Sinusgrößen. Bei verzerrten Strömen, etwa von Netzteilen, spricht man allgemeiner vom Leistungsfaktor λ (lambda), ebenfalls λ = PS. In der Praxis werden beide Begriffe oft gleich verwendet.
Typische Werte
| Verbraucher | Leistungsfaktor (typisch) |
|---|---|
| Heizstab, Wasserkocher, Glühlampe | 1 |
| Asynchronmotor bei Nennlast | 0,8 bis 0,9 |
| Asynchronmotor im Leerlauf | 0,1 bis 0,3 |
| Leuchtstofflampe mit Drossel, unkompensiert | um 0,5 |
| Netzteil mit aktiver Leistungsfaktorkorrektur (PFC) | über 0,9 |
| einfaches Netzteil ohne PFC | 0,5 bis 0,7 |
Bei Motoren steht der Leistungsfaktor bei Nennlast auf dem Typenschild. Wichtig: Läuft ein Motor schwach belastet oder im Leerlauf, wird cos φ sehr klein. Überdimensionierte Motoren verschlechtern deshalb den Leistungsfaktor einer Anlage.
Foto: L. Payakoff (bulgarische Wikipedia), „Cosfimeter“, Lizenz: CC BY 2.5, Quelle: Wikimedia Commons, verkleinert.
Den Leistungsfaktor verbessern
Einen schlechten Leistungsfaktor verbessert man durch Kompensation: Kondensatoren liefern die Blindleistung für die Magnetfelder vor Ort (siehe Blindleistung). Netzteile haben heute meist eine eingebaute Leistungsfaktorkorrektur (PFC), die den Strom wieder sinusförmig und phasengleich zur Spannung macht.
Rechenbeispiele
An einer Maschine misst du 230 V, 8 A und mit dem Leistungsmesser 1.500 W. Wie groß ist der Leistungsfaktor?
- Scheinleistung: S = 230 V · 8 A = 1.840 VA
- cos φ = 1.500 W1.840 VA ≈ 0,82
- Ergebnis: cos φ ≈ 0,82 (induktiv)
Ein Drehstrommotor hat 4 kW Nennleistung, Wirkungsgrad 85 % und cos φ = 0,82 an 400 V. Welcher Strom fließt?
- Aufgenommene Leistung: Pzu = 4 kW0,85 ≈ 4,71 kW
- I = 4.706 W1,732 · 400 V · 0,82 ≈ 8,3 A
- Ergebnis: I ≈ 8,3 A
Praxis: Den Nennstrom findest du auch direkt auf dem Typenschild. Die Rechnung ist eine gute Plausibilitätsprüfung.
Eine Werkstatt hat 10 kW Wirkleistung bei cos φ = 0,7. Der Leistungsfaktor soll auf 0,95 verbessert werden. Welche Kondensatorleistung ist nötig?
- QC = 10 kW · (1,02 − 0,33) ≈ 6,9 kvar
- Ergebnis: QC ≈ 6,9 kvar
Wirkung: Die Scheinleistung sinkt von 14,3 kVA auf 10,5 kVA. Der Strom in der Zuleitung sinkt um gut ein Viertel.
Typische Fehler
- cos φ mit Wirkungsgrad verwechselt: Der Wirkungsgrad vergleicht abgegebene und aufgenommene Wirkleistung. Der Leistungsfaktor vergleicht Wirk- und Scheinleistung. Beide stehen getrennt auf dem Typenschild.
- Leerlauf vergessen: Der cos φ vom Typenschild gilt bei Nennlast. Im Leerlauf ist er viel schlechter.
- cos φ über 1 berechnet: Das ist unmöglich. Dann sind Messwerte oder Einheiten falsch, oft wurde kW mit VA gemischt.
Der Leistungsfaktor ist der Anteil der Wirkleistung an der Scheinleistung: cos φ = PS. Er liegt zwischen 0 und 1. Je kleiner er ist, desto mehr Strom fließt für dieselbe Wirkleistung. Motoren haben bei Nennlast etwa 0,8 bis 0,9.
Quiz: Teste dich
Zehn Fragen zum Thema Leistungsfaktor (cos φ). Nach jeder Antwort bekommst du eine Erklärung. Dein Fortschritt wird auf diesem Gerät gespeichert.