Anwendungsgrenze und Normbezug
Blindleistungskompensation ist dort wirtschaftlich, wo überwiegend induktive Verbraucher – Asynchronmotoren, Transformatoren, Schweißgeräte, Hebezeuge – die Netzrückwirkung bestimmen. Die Entscheidungsschwelle liegt üblicherweise bei einem Leistungsfaktor cos φ unter 0,90 im Mittel der Grundschwingung. Unterhalb dieses Wertes übersteigen die Blindstromanteile in der Zuleitung in der Regel das Maß, das Netzbetreiber tolerieren oder kostenlos belassen. Bei netzgeführten Umrichtern mit B6-Brückenschaltung ist die Oberschwingungsbelastung jedoch so hoch, dass ungedrosselte Kondensatorbatterien meist nicht mehr zulässig sind.
Die Auswahl ist normgebunden: Typgeprüfte Niederspannungs-Kompensationskondensatoren nach IEC 60831-1 bzw. DIN EN 60831-1 (VDE 0560-46) gelten als selbstheilende Folienkondensatoren; komplette Anlagen nach IEC 61921. DIN VDE 0100 fordert, dass der Kondensator nach dem Abschalten innerhalb von drei Minuten auf unter 75 V entladen ist – ein Entladebaustein ist also Pflicht, nicht Ausstattungsoption.
Entscheidungskennwerte je Parameter
Bemessungsleistung in kvar
Die benötigte Blindleistung ergibt sich aus Wirkleistung P und dem Ziel-Leistungsfaktor nach
QC = P · (tan φ1 − tan φ2).
Beispiel: P = 100 kW, cos φ1 = 0,75 (tan φ1 = 0,88), Ziel cos φ2 = 0,95 (tan φ2 = 0,33). Ergebnis: QC = 100 · (0,88 − 0,33) = 55 kvar. Die Kapazitätstoleranz beträgt nach IEC 60831 −5 % bis +10 %, die Stufung sollte deshalb zur nächsten Normgröße aufgerundet werden.
Nennspannung
Ein Kondensator am 400-V-Netz muss 440 V oder 480 V Bemessungsspannung besitzen – wegen Netztoleranz, Anhebung der Spannung durch die Kompensation selbst und unvermeidlich vorhandener Harmonischer. Die zulässige Dauerüberspannung erreicht nach IEC 60831 1,1 · UN für 8 h täglich, kurzzeitig 1,3 · UN für 1 min. Wer diese Grenze ausreizt, muss die thermische Auslegung über den Rippelstrom prüfen.
Oberschwingungen und Resonanz
Kondensator und Trafo-Induktivität bilden parallel einen Schwingkreis. Fällt dessen Resonanzfrequenz mit einer Netzharmonischen zusammen – typisch 250 Hz bis 750 Hz –, fließen Überströme, die die Kondensatoren thermisch zerstören. Als Schwelle gilt: übersteigt der Spannungsanteil an Oberschwingungen dauerhaft 5 %, oder sind leistungsstarke 6-Puls-Umrichter im Netz, ist eine gedrosselte Ausführung erforderlich. Eine 7 %-Drossel verstimmt die Resonanz auf fres = 50 Hz / √0,07 ≈ 189 Hz, also unterhalb der 5. Harmonischen; 14 % Detuning senkt sie auf etwa 134 Hz und eignet sich bei dominierender 3. Harmonischer.
Stromfestigkeit
Der Kondensatorstrom enthält neben dem 50-Hz-Anteil den Oberschwingungsstrom. Ungedrosselte Einheiten werden auf 1,3 · IN Dauerstrom ausgelegt, gedrosselte auf 1,5 · IN. Der Einschaltstrom erreicht ohne Vorschaltdrossel ein Vielfaches des Bemessungsstroms; Einschaltstrombegrenzung oder Schütze mit Vorwiderstand sind deshalb Standard.
Dielektrische Verluste
Polypropylen-Folienkondensatoren haben einen Verlustfaktor tan δ ≤ 2 · 10−3. Höhere Werte deuten auf alternde Folie oder geringwertiges Dielektrikum hin und führen im Schaltschrank zu unzulässiger Erwärmung.
Variantenvergleich im Überblick
| Kenngröße | Ungedrosselt | Gedrosselt, 7 % | Gedrosselt, 14 % |
|---|---|---|---|
| Resonanzfrequenz | abhängig von Netzimpedanz | ≈ 189 Hz | ≈ 134 Hz |
| Empfehlung bei THDU | < 5 % | 5–10 % | > 10 % oder hoher 3. Harmonischer |
| Nennspannung | 440 V | 480 V | 480 V |
| Dauerstromfestigkeit | 1,3 · IN | 1,5 · IN | 1,5 · IN |
| Einsatzbereich | Motoren, Transformatoren | Umrichter, USV | Schwerindustrie, stark verzerrte Netze |
Schrittweise Auswahlprozedur
- Betriebsdaten erfassen: Wirkleistung, Spannung, cos φ der Grundschwingung, Lastprofil und Oberschwingungsspektrum am Einspeisepunkt messen (IEC 61000-4-7).
- Ziel-Leistungsfaktor festlegen: Üblich sind 0,95 bis 0,98; die Vorgaben des Netzbetreibers sind vorrangig zu prüfen.
- Blindleistung berechnen: QC = P · (tan φ1 − tan φ2) und auf die nächste genormte Stufe aufrunden.
- Spannungsanhebung prüfen: ΔU/U ≈ QC / Sk″ mit der Kurzschlussleistung Sk″ am Anschlusspunkt. Übersteigt ΔU 2 %, muss feiner gestuft werden.
- Resonanzrisiko bewerten: Beträgt QC/Sk″ über 5 % bzw. bei bekannten Harmonischen über 3 %, ist eine Drossel zu wählen; danach die Stufung erneut auf den zulässigen Dauerstrom prüfen.
- Schutz und Dokumentation festlegen: Schütze nach Einsatzklasse AC-6b (DIN EN 60947-4-1), Sicherungen mit gG/gTr-Charakteristik, Entladebaustein innerhalb von 3 min auf 75 V. Für die Anlagenakte sind Typprüfbescheinigungen, Kapazitätswerte und die Berechnung des Oberschwingungsstroms bereitzuhalten.
Die thermische Bemessung einer Kondensatorbatterie muss den Oberschwingungsstrom enthalten. Eine Dimensionierung allein auf Basis der 50-Hz-Blindleistung führt in Netzen mit Umrichterlasten regelmäßig zu Unterdimensionierung und vorzeitigem Ausfall.