(ET3-29) Formen der elektrischen Leistung

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

“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.”

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

$\boxed{ P = U \cdot I }$

eine Ausgangsleistung von

$\boxed{ P = 40 V \cdot 2 A = 80 W }$

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

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

undefiniert

Beispiel: Geräte mit Nennleistungsaufnahme

Lautsprecher,

oder

Staubsauger

Nennleistungsabgabe

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

undefiniert

Beispiel: Geräte mit Nennleistungsabgabe

Motoren,

sowie

Getriebe,

und

Generatoren,

aber auch

Photovoltaikanlagen.

Leistungsarten: Nutzleistung

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

undefiniert

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.

undefiniert

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 Ohmschen 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

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

betragen.

Wenn du als 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.

undefiniert

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 Ohmscher 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.

wie gehts weiter?

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

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