Kondensatorbank richtig auslegen und spezifizieren: kVAr-Berechnung, Stufung, C/K-Einstellung, Schaltschütze für Kondensatoren und abgestimmte Reihendrosseln.
Der Leistungsfaktor (cos φ) ist das Verhältnis von Wirkleistung (kW) zu Scheinleistung (kVA), die aus dem Netz bezogen wird. Ein Motor bei halber Last kann 100 kVA aufnehmen, um 60 kW abzugeben — ein Leistungsfaktor von 0,60. Das Energieversorgungsunternehmen muss Transformatoren, Kabel und Schaltanlagen trotzdem für die vollen 100 kVA dimensionieren; deshalb rechnen viele Industrietarife Blindenergie (kVArh) gesondert ab oder bestrafen einen Leistungsfaktor unter einer Schwelle, typisch 0,90 oder 0,95.
Für Schaltanlagenbauer und Distributoren ist das Argument einfacher: Kompensation an der Hauptverteilung gibt Transformatorleistung frei, senkt Kabelverluste und entfernt die Strafzeilen aus der Kundenrechnung. Eine Bank, die den Leistungsfaktor von 0,72 auf 0,97 hebt, kann 20–30% der Scheinleistung freigeben, die die Anlage zuvor bezogen hat — oft günstiger als eine neue Schaltanlage.
Feste Bänke passen zu stabilen, vorhersagbaren Lasten — ein einzelner großer Kompressor oder eine Fertigungslinie mit konstanter Auslastung. Sie sind pro kVAr am günstigsten und am einfachsten in Betrieb zu nehmen, folgen Laständerungen aber nicht: Bei Teillast treibt dieselbe Bank den Leistungsfaktor ins Kapazitive und hebt die Spannung an den Kondensatoren.
Automatische Bänke schalten Kondensatorstufen lastabhängig zu und ab. Nahezu jede gemischte Installation — Werkstätten, Kunststoffverarbeitung, Gebäude mit Klimatechnik — braucht eine automatische Bank. Der Mehrpreis ist der Blindleistungsregler plus Kondensatorschütze, und genau dort passieren die meisten Spezifikationsfehler.
Die Blindleistung, die die Bank liefern muss, ist:
Qc = P × (tan φ1 − tan φ2)
wobei P die gemessene Wirkleistung in kW ist, φ1 der Winkel des aktuellen Leistungsfaktors und φ2 der Zielwinkel. Beispiel: Eine Werkstatt bezieht 250 kW bei Leistungsfaktor 0,72 (tan = 0,964), das Ziel ist 0,97 (tan = 0,251). Die Bank muss 250 × (0,964 − 0,251) ≈ 178 kVAr liefern.
Zwei praktische Regeln. Nie bis auf Eins kompensieren — eine kleine induktive Reserve (Leistungsfaktor 0,95–0,98) lassen, sonst fängt der Regler an zu pendeln. Und nach der gemessenen Leistung dimensionieren, nicht nach der Anschlussleistung: Eine Woche Messwerte mit Zangenmesser oder Netzanalysator schlägt jede Summe der Typenschilder.
Eine automatische Bank teilt ihre kVAr in Stufen auf — typisch 5, 12,5, 25 oder 50 kVAr. Die Stufen sollten mit wachsender Anzahl feiner werden: Eine grobe erste Stufe pendelt, eine feine letzte Stufe poliert. Ein übliches Layout für eine 300-kVAr-Bank ist 4 × 75 kVAr grob plus 2 × 25 kVAr und 1 × 50 kVAr fein.
Das C/K-Verhältnis — kVAr der ersten Stufe gegen den Primärstrom des Stromwandlers — bestimmt die Empfindlichkeit des Reglers:
C/K = QStufe ÷ (Un in kV × IWandler in A)
Eine erste Stufe von 50 kVAr an einem 400-V-Netz mit Wandler 1000/5 A ergibt C/K = 50 ÷ (0,4 × 1000) = 0,125. Zu niedrig eingestellt schaltet der Regler zu viel, zu hoch kommt er nie nach.
Der Regler misst den Leistungsfaktor über die Wandler- und Spannungseingänge, vergleicht ihn mit dem Ziel-cos-phi und schaltet Stufen zu oder ab, um die Lücke zu schließen. Die Einstellungen, auf die es ankommt:
Das Schalten einer Kondensatorstufe ist kein Motoranlauf. Im Moment des Kontaktschlusses ist der Kondensator entladen und das Netz liegt nahe dem Scheitel — der Einschaltstrom kann etwa das 100-Fache des Nennstroms erreichen. Die Hauptkontakte normaler Schütze verschweißen unter dieser Belastung.
Kondensatorschütze lösen das mit vorzeitig schließenden Hilfskontakten in Reihe mit Dämpfungswiderständen: Die Hilfskontakte schließen zuerst und laden die Stufe vor, dann schließen die Hauptkontakte fast ohne Stoßstrom. Beim Öffnen trennen die Hauptkontakte zuerst, und die Widerstände übernehmen die Lichtbogendämpfung. Derselbe Schütz ist nicht für Motorschaltung geeignet, und ein normaler Schütz ist nie ein akzeptabler Ersatz — ein verschweißter Kontaktsatz nimmt die ganze Bank außer Betrieb.
Frequenzumrichter, LED-Treiber, USV und Gleichrichter speisen Oberschwingungsströme ein. Kondensatoren sind bei Oberschwingungsfrequenzen niederohmig, eine nicht abgestimmte Bank verstärkt daher diese Ströme, überhitzt und fällt früh aus. Die Symptome — durchbrennende Sicherungen, ausfallende Schütze, gewölbte Kondensatoren — werden routinemäßig als «schlechte Kondensatoren» fehldiagnostiziert.
Die Standardlösung ist eine abgestimmte Drosselbank: eine Reihendrossel (typisch 7% bei Netzfrequenz) stimmt den Bank-Kondensator-Kreis unterhalb der dominanten Oberschwingung ab, sodass die Bank dort induktiv wirkt und nicht mehr verstärkt. In Werken, die von Umrichtern und Gleichrichtern dominiert werden, sollten abgestimmte Bänke die Standardspezifikation sein, keine kostenpflichtige Option.
Wirkleistung P (kW) und aktuellen Leistungsfaktor messen. Die Bank muss Qc = P × (tan φ1 − tan φ2) liefern, wobei φ1 der aktuelle Winkel und φ2 der Zielwinkel ist (meist 0,95–0,97). Beispiel: 250 kW bei cos φ 0,72 auf 0,97 erfordern etwa 178 kVAr.
Nein. Beim Schalten auf einen entladenen Kondensator fließt ein Einschaltstrom von etwa dem 100-Fachen des Nennstroms — die Hauptkontakte normaler Schütz verschweißen. Kondensatorschütze mit vorzeitig schließenden Hilfskontakten und Dämpfungswiderständen laden die Stufe vor und begrenzen den Stoß.
C/K = kVAr der ersten Stufe ÷ (Netzspannung in kV × Stromwandler-Primärstrom). Eine erste Stufe von 50 kVAr an 400 V (0,4 kV) mit Wandler 1000/5 A ergibt C/K = 50 ÷ (0,4 × 1000) = 0,125. Zu niedrig schaltet der Regler ständig, zu hoch reagiert er träge.
Wegen der Oberschwingungen von Umrichtern und Gleichrichtern. Kondensatoren sind bei Oberschwingungsfrequenzen niederohmig, verstärken daher die harmonischen Ströme, überhitzen und wölben sich. In solchen Anlagen sollte eine abgestimmte Drosselbank (typisch 7%) die Standardspezifikation sein, nicht eine Option.
Automatisch, sofern nicht eine einzige Last dominiert. Eine für Spitzenlast ausgelegte feste Bank überkompensiert bei Teillast: Der Leistungsfaktor wird kapazitiv und die Kondensatorspannung steigt. Eine automatische Bank mit grob-feiner Stufung folgt der Last und hält den Leistungsfaktor zwischen 0,95 und 0,98.
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