(ET3-29) Leistungsarten [Verlustleistung, Totalleistung, Wirkleistung, Nutzleistung, usw.]

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Bisher haben wir immer die elektrische Leistung an Quellen oder Verbrauchern betrachtet. Wir können aber auch eine Unterscheidung der  Leistungsarten vornehmen.

Für ein optimales Verständnis helfen dir drei ausführliche Videoclips und zwei anschauliche Rechenbeispiele zu dem Thema

Mehr zu diesem Thema und der Elektrotechnik findest du im Kurs: ET3-Netzwerkberechnung

 

Merk’s dir!

“Die Größe Leistung ist in der Physik, die in einer Zeitspanne umgesetzte Energie bezogen auf die festgelegte Zeitspanne. Als elektrische Leistung bezeichnet man diese, wenn die Form der umgesetzten Energie eine elektrische Energie ist.”

Leistungsarten - Formen der elektrischen Leistung
Leistungsarten – Formen der elektrischen Leistung
Leistungsarten

 

Unterscheidung der Arten der Leistung

Die Unterscheidung der Leistung kann nach unterschiedlichen Merkmalen erfolgen:

  • Verfügbare Leistung/ Nennleistung: Hier bei handelt es sich um die Maximale/ von Hersteller garantierte Leistung

sowie

  • Nutzleistung: Es handelt sich um die Leistung, welche im Normalbetrieb umgesetzt wird.

sowie

  • Totalleistung: Bei dieser Angabe handelt es sich um den Wert für ein Bauteilversagen infolge von Hitze

sowie

  • Verlustleistung: Bei dieser Angabe liegt mir ein Wert für die Umwandlungsverluste vor

sowie

  • Wirkleistung: Es handelt sich um die Leistung, die maximal umwandelbar ist.

und

  • Blindleistung: Es handelt sich hier um die Leistung, welcher nicht umgewandelt werden kann.

 

Eine Ausführliche Beschreibung der einzelnen elektrischen Leistungen folgt:

 

Leistungsarten: Verfügbare Leistung

Als verfügbare Leistung bezeichnet man die maximale Leistung einer Strom- oder Spannungsquelle.

Ein Gleichspannungsnetzteil (DC-Netzteil) mit den beiden Maximalwerten von U = 40 V (Elektrische Spannung) und I = 2 A (Elektrische Stromstärke) weist nach der allgemeinen Gleichung

P = U \cdot I

eine Ausgangsleistung von

P = 40 V \cdot 2 A = 80 W

auf.


Die Verfügbare Leistung ist direkt an die Maximalwerte

  • I_{max} ( Elektrische Stromstärke)

und

  • U_{max} ( Elektrische Spannung)

gekoppelt.

 

Leistungsarten:  Nennleistung

Man spricht in diesem Kontext bei elektrischen Geräten auch von einer maximalen Leistung oder Nennleistung. Die Nennleistung ist die vom Hersteller angegebene Leistung eines elektrischen Gerätes, bzw. Verbrauchers oder Energiewandlers, die dieses maximal aufnehmen (umsetzen) oder abgeben (generieren) kann.

 

Nennleistungsaufnahme

Merk’s dir!

Die Nennleistungsaufnahme gibt die aufgenommene elektrische Leistung an.
Die Leistung entspricht der aufgenommenen Leistung reduziert um den Wirkungsgrad.

 

Geräte mit Nennleistungsaufnahme sind solche, bei denen der Hersteller die maximale elektrische Leistung angibt, die das Gerät bei normaler Verwendung verbraucht. Diese Angabe hilft Verbrauchern, die elektrische Belastung eines Geräts zu verstehen und die Auswirkungen auf ihre Stromrechnung zu berücksichtigen.

Beispiele: Geräte mit Nennleistungsaufnahme!

Einige Beispiele für Geräte mit Nennleistungsaufnahme sind:

  1. Haushaltsgeräte: Dazu gehören Waschmaschinen, Trockner, Geschirrspüler, Kühlschränke, Mikrowellenherde und Staubsauger. Die Nennleistungsaufnahme dieser Geräte wird normalerweise in Watt angegeben.

  2. Elektronikgeräte: Fernseher, Computer, Laptops, Drucker und Audioverstärker sind Beispiele für elektronische Geräte, bei denen die Nennleistungsaufnahme relevant ist. Diese Geräte können je nach Nutzung und Betriebsmodus unterschiedliche Leistungsanforderungen haben.

  3. Beleuchtung: Glühbirnen, Leuchtstofflampen, LED-Lampen und andere Beleuchtungsprodukte geben normalerweise ihre Nennleistungsaufnahme an, um Verbrauchern bei der Auswahl der richtigen Beleuchtung für ihre Bedürfnisse zu helfen.

  4. Industrielle Geräte: Maschinen, Werkzeuge und andere industrielle Ausrüstungen haben oft eine Nennleistungsaufnahme, die bei der Planung von Stromversorgungssystemen und bei der Kostenschätzung für den Betrieb berücksichtigt werden muss.

 

Die Nennleistungsaufnahme ist eine wichtige Information für Verbraucher, die den Energieverbrauch ihres Haushalts oder Betriebs verstehen und reduzieren möchten. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass die tatsächliche Leistungsaufnahme je nach Betriebsbedingungen variieren kann.

 

 

Nennleistungsabgabe

Merk’s dir!

Die Nennleistungsabgabe gibt die abgegebene elektrische Leistung an.
Die abgegebene Leistung entspricht der aufgenommenen Leistung reduziert um den Wirkungsgrad.

 

Geräte mit Nennleistungsabgabe sind solche, bei denen der Hersteller die maximale Leistung angibt, die das Gerät an den Benutzer oder an ein angeschlossenes System abgibt. Diese Angabe ist wichtig, um die Leistungsfähigkeit und die potenziellen Anwendungen des Geräts zu verstehen.

Beispiele: Geräte mit Nennleistungsabgabe!

Hier sind einige Beispiele für Geräte mit Nennleistungsabgabe:

  1. Elektrische Motoren: Elektrische Motoren, wie sie in Geräten wie Bohrmaschinen, Ventilatoren, Pumpen und Elektrofahrzeugen verwendet werden, haben eine Nennleistungsabgabe, die angibt, wie viel mechanische Leistung sie an die Welle abgeben können.

  2. Generatoren: Generatoren erzeugen elektrische Energie aus anderen Energiequellen wie Verbrennungsmotoren, Dampfturbinen oder erneuerbaren Energien. Die Nennleistungsabgabe eines Generators gibt an, wie viel elektrische Leistung er unter bestimmten Betriebsbedingungen liefern kann.

  3. Solarmodule: Solarmodule erzeugen elektrische Energie aus Sonnenlicht. Die Nennleistungsabgabe eines Solarmoduls wird in der Regel in Wattpeak (Wp) angegeben und gibt an, wie viel Leistung es unter Standardtestbedingungen erzeugen kann.

  4. Heizgeräte: Elektrische Heizgeräte wie Heizlüfter, Heizstrahler und Heizdecken haben eine Nennleistungsabgabe, die angibt, wie viel Wärme sie pro Zeiteinheit erzeugen können.

  5. Audioverstärker: Audioverstärker sind Geräte, die die Leistung von Audiosignalen verstärken, um sie an Lautsprecher oder Kopfhörer abzugeben. Die Nennleistungsabgabe eines Verstärkers gibt an, wie viel Leistung er an die Lautsprecher abgeben kann, ohne Verzerrungen oder Beschädigungen zu verursachen.

 

Die Nennleistungsabgabe ist eine wichtige Spezifikation, die es Benutzern ermöglicht, die Leistungsfähigkeit und die potenziellen Anwendungen eines Geräts zu verstehen und entsprechend zu nutzen.

 

Leistungsarten: Nutzleistung

Die Nutzleistung ist die Leistung, die ein Verbraucher im normalen Betrieb nutzen kann und gleichzeitig benötigt.

Wusstest du es?…

Die Nutzleistung eines Elektromotors ist die von ihm angegebene mechanische Leistung.

 

Eine einfache Glühbirne mit P_{el} = 30 W wird mit einer Spannung von U = 230 V betrieben (230 V ist der Spannungswert einer Steckdose bzw. eines angeschlossenen Unterputzkabels bzw. Netzspannung) und der fließende Strom entspricht I = 0,130 A

 

Totalleistung / SOA-Diagramm

Elektronische Bauelemente haben Maximalwerte, bis zu denen sie betrieben werden dürfen. Die Angabe der Maximalleistung P_{tot} ist der höchste Wert der elektrischen Leistung eines Gerätes.

 

Jeder Leistungswert oberhalb des Wertes führt zwangsläufig zu einem Bauteilversagen.

Beispiel: Transistor!

P_{tot} kann zum Beispiel auch die thermische Grenze eines Transistors sein. Diese darf durchaus kurzfristig überschritten werden, z.B. im Umschaltmoment, aber nur weil der Chip und das Gehäuse eine gewisse thermische Trägheit besitzen.

 

Liegt an einem Ohm’schen Widerstand eine Spannung von U = 10 V an und fließt durch den Widerstand ein Strom von I = 0,5 A, dann sollte der Wert für

P_{tot} > U \cdot I = 10 V \cdot 0,5 A = 5 W

betragen.

 

Wenn du als Ingenieur oder Techniker ein Netzwerk mit unterschiedlichen Bauteilen aufbaust, dann musst du bei der Dimensionierung immer darauf achten, dass jedes Bauteil im Normalbetrieb nicht die elektrische Leistung P_{tot} erreicht oder diesen Grenzwert überschreitet.

 

Ein normaler Pufferbereich genügt meistens.

Im Bereich der Halbleitertechnik setzt man heutzutage lieber auf das SOA (safe oerating area)-Diagramm.

 

Leistungsarten: Verlustleistung

Bei der Umwandlung von elektrischer Energie in andere Energieformen gilt, dass als Nebeneffekt immer eine Verlustleistung auftritt. Diese ist Folge von verloren gegangener Wärmeenergie oder Strahlungsenergie.

 

100 % Wirkungsgrad. Geht oder?

Leider nein, denn es gibt immer eine gewisse Verlustleistung. Ansonsten entspräche der Wirkungsgrad \nu = 100%

 

Ähnlich wie die Auslegung mit der Totalleistung P_{tot} ist die Reduzierung der Verlustleistung ein beliebtes Thema in Kreisen der Freunde von Transistoren (Halbleiter).

Merk’s dir!

Man kann die Verlustleistung übrigens durch den Einsatz von Kühlelementen reduzieren, jedoch erzeugt eine zusätzlich Kühlung gesamtheitlich wieder Verluste von elektrische Leistung. Annähernd ein Nullsummenspiel. Die indirekte Kühlung hier mal ausgenommen.

 

Leistungsarten: Wirkleistung

Die Wirkleistung ist der Anteil der gesamten Elektrische Leistung, welcher in eine andere Leistung umgewandelt werden kann. Dabei kann es sich um eine mechanische, thermische oder chemische Leistung handeln.

Ein Ohm’scher Widerstand kann seine aufgenommen Leistung gänzlich in Wärme Umwandeln. Hier entspricht die Wirkleistung P_W : 100 % .

 

Leistungsarten: Blindleistung

Die Blindleistung ist der Rest der gesamten elektrischen Leistung, der nicht in eine andere Leistung umgewandelt werden kann. Man könne sagen, hier geht elektrische Leistung „verloren“, besser ist jedoch: Die Blindleistung lässt sich für die Umwandlung nicht verwenden.

 

Leistungsarten – Besonderheiten in der Elektrizitätswirtschaft

In der Elektrizitätswirtschaft steht

  • Wirkleistung für die Leistung, die bei den Verbrauchern nach der Erzeugung ankommt.

sowie

  • Blindleistung für die Leistung, die für den Auf- und Abbau des Magnetfeldes (50 mal pro Sekunde) im Wechselstromnetz benötigt wird.

 

Was kommt als Nächstes?

Nachdem wir jetzt über die Leistungsart gesprochen haben, sind die Leistungsaufnahme und die Leistungsabgabe Thema des nächsten Kurstextes.

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