Was ist Phasenverschiebung? Warum Strom und Spannung nicht gleich laufen

Strom und Spannung gehören zusammen und doch laufen sie bei Wechselstrom nicht immer gleichzeitig. Genau hier kommt die Phasenverschiebung ins Spiel. Sie beschreibt, warum Strom und Spannung zeitlich versetzt auftreten und welche Rolle dieser Effekt im Alltag, bei elektrischen Geräten und in der Leistungsberechnung spielt. In diesem Artikel erfährst Du, was Phasenverschiebung ist, wie sie entsteht und warum sie für das Verständnis von Wechsel- und Drehstrom so wichtig ist.

Phasenverschiebung bei Wechselstrom als Schlüssel für effiziente Energiesysteme

Bei Wechselstrom verlaufen Strom und Spannung nicht immer synchron, diese zeitliche Versetzung, die Phasenverschiebung, ist ein entscheidender Faktor für die Effizienz Deiner gesamten Elektroinstallation. Besonders wenn Du eine Photovoltaikanlage, eine Wärmepumpe oder einen modernen Stromspeicher wie den Sunpura S2400 betreibst, beeinflusst der Phasenwinkel φ direkt, wie viel nutzbare Wirkleistung tatsächlich bei Dir ankommt.

Jede Phasendifferenz zwischen Strom und Spannung bedeutet, dass ein Teil der übertragenen Energie nicht in nutzbare Arbeit umgewandelt wird, sondern als Blindleistung zwischen Quelle und Verbraucher pendelt. Für Haushalte mit hohem Eigenverbrauchsanteil ist das Verständnis dieses Vorgangs essenziell, um den Solarstrom optimal zu nutzen und die Scheinleistung richtig einzuordnen.

So verstehst Du Phasenverschiebung und ihre Berechnung

Die Grundlagen der Phasenverschiebung sind einfacher zu verstehen, als es zunächst klingt. In diesem Abschnitt erfährst Du, was hinter dem Begriff steckt, wie die Phasendifferenz entsteht und welche Rolle sie im Drehstromsystem spielt.

Die Wechselstrom-Welle: Wie Strom und Spannung schwingen

Die Definition der Phasenverschiebung beschreibt den zeitlichen Versatz zwischen zwei periodischen Wechselgrößen, typischerweise zwischen Strom und Spannung in einem Wechselstromkreis. Während bei einer einfachen Glühbirne Strom und Spannung gleichzeitig ihre Maxima und Nulldurchgänge erreichen, ist das bei vielen anderen Lasten nicht der Fall.

Der Phasenwinkel φ (Phi) gibt an, um welchen Winkel die beiden Sinusfunktionen gegeneinander verschoben sind. Die Phasenlage beschreibt dabei, welche Welle vorauseilt und welche nachfolgt. In der Physik und Elektrotechnik wird diese Größe sowohl im Gradmaß (0° bis 360°) als auch im Bogenmaß (0 bis 2π) angegeben.

Die Darstellung erfolgt häufig über Zeigerdiagramme, bei denen rotierende Zeiger die Schwingung von Strom und Spannung visualisieren. Der Winkel zwischen beiden Zeigern entspricht dem Phasenwinkel. Die Grundformel für die Berechnung lautet:

• φ = 2π × f × Δt

Dabei ist f die Frequenz der Schwingung und Δt die Zeitdifferenz zwischen den Nulldurchgängen oder Maxima beider Wellen.

Wie entsteht Phasenverschiebung?

Die Ursache für Phasenverschiebungen liegt in den unterschiedlichen Bauelementen eines Wechselstromkreises. Jedes Bauteil verhält sich anders gegenüber dem zeitlichen Verlauf von Strom und Spannung.

Bei einer ohmschen Last wie einem klassischen Heizstrahler oder einer Glühbirne sind Strom und Spannung in Phase, es gibt keine Verschiebung. Der Widerstand folgt dem Ohmschen Gesetz ohne zeitliche Verzögerung.

Ein Kondensator hingegen speichert Energie im elektrischen Feld. Bei diesem Bauteil eilt der Strom der Spannung um 90° voraus. Der Kondensator muss erst geladen werden, bevor sich die volle Spannung aufbaut, daher die kapazitive Phasenverschiebung.

Bei einer Spule (Induktivität) ist es genau umgekehrt: Die Spannung eilt dem Strom um 90° voraus. Das liegt daran, dass die Spule durch ihr Magnetfeld einer Stromänderung entgegenwirkt. Dieses Verhalten kennst Du von Motoren, Transformatoren und vielen Netzteilen.

Phasenverschiebung bei Drehstrom

Im Dreiphasensystem, das in Deutschland unter anderem für größere Verbraucher und Hausanschlüsse genutzt wird, gibt es eine besondere Konstellation: Die drei Außenleiter L1, L2 und L3 führen jeweils eine sinusförmige Spannung, die um 120° phasenverschoben zueinander sind.

Diese definierte Phasendifferenz ist gewollt und sorgt für eine gleichmäßige Leistungsabgabe bei symmetrischer Belastung. Bei symmetrischen Lasten, wenn alle drei Phasen gleichmäßig belastet werden, fließt im Neutralleiter theoretisch kein Strom.

Bei unsymmetrischer Belastung hingegen, beispiel­weise wenn in einem Haushalt verschiedene Verbraucher ungleich auf die Phasen verteilt sind, entstehen Ausgleichsströme im Neutralleiter. Diese Situation tritt häufig auf und hat Auswirkungen auf die Stromverteilung und die Dimensionierung der Leitungen.

Phasenverschiebung berechnen und messen

Um die Phasenverschiebung in Deinem System zu ermitteln, brauchst Du konkrete Messwerte und das passende Werkzeug.

Benötigte Messwerte und Daten

Für die Berechnung der Phasenverschiebung sind folgende Größen relevant:

• Effektivwerte von Spannung und Strom (Urms und Irms): Diese Werte geben die mittlere Leistung der Wechselgrößen an
• Wirkleistung P: Die tatsächlich nutzbare Leistung in Watt
• Scheinleistung S: Das Produkt aus Effektivspannung und Effektivstrom in Voltampere (VA)
• Zeitdifferenz Δt: Der zeitliche Abstand zwischen den Nulldurchgängen von Strom und Spannung
• Frequenz f: In Deutschland beträgt die Netzfrequenz 50 Hz, was einer Periodendauer von 20 Millisekunden entspricht

Für die Messung stehen verschiedene Geräte zur Verfügung: Ein Oszilloskop zeigt den zeitlichen Verlauf beider Wellen und ermöglicht die direkte Ablesung der Zeitdifferenz. Ein Leistungsmessgerät oder ein hochwertiges Multimeter mit Leistungsfaktormessung liefert den cos φ direkt als Messwert.

Berechnungsverfahren und Beispielrechnungen

Es gibt zwei gängige Verfahren, um die Phasenverschiebung zu berechnen:

Methode 1 – Über den Leistungsfaktor:

• cos φ = P / S

Aus dem Verhältnis von Wirkleistung zu Scheinleistung lässt sich der Phasenwinkel bestimmen. Der Arcuscosinus liefert dann den Winkel φ.

Methode 2 – Über die Zeitdifferenz:

• φ = 360° × f × Δt (im Gradmaß)
• φ = 2π × f × Δt (im Bogenmaß)

Beispiel für den Sunpura Speicher:

• Wirkleistung P = 2.400 W
• Scheinleistung S = 3.600 VA
• cos φ = 2.400 / 3.600 = 0,6667
• φ = arccos(0,6667) ≈ 48,2°

Beispielrechnung für einen PV-Wechselrichter:

• Zeitdifferenz Δt zwischen Strom und Spannung: 1 ms
• Frequenz f = 50 Hz
• φ = 360° × 50 × 0,001 = 18°

Moderne PV-Wechselrichter arbeiten mit sehr geringen Phasenverschiebungen und können den Leistungsfaktor aktiv regeln, um die Netzanforderungen zu erfüllen.

Messtools und Software

Für die praktische Arbeit stehen Dir verschiedene Hilfsmittel zur Verfügung:

Digitale Multimeter mit integrierter Leistungsfaktormessung zeigen den cos φ direkt an und eignen sich für schnelle Überprüfungen. Smart Meter und Energiemonitoring-Systeme erfassen Leistungsdaten kontinuierlich und ermöglichen eine langfristige Betrachtung Deines Verbrauchsprofils.

Die Sunpura Monitoring App bietet Dir Echtzeit-Einblicke in die Leistungsqualität Deines PV-Systems und zeigt Dir, wie effizient Dein Solarstrom genutzt wird. Ergänzend kannst Du Excel-Vorlagen für die Leistungsberechnung Drehstrom nutzen oder auf Online-Rechner zurückgreifen, die den Phasenwinkel aus Deinen Eingabedaten ermitteln.

Wie beeinflusst Phasenverschiebung die Leistungsberechnung?

Die Phasenverschiebung hat direkte Auswirkungen auf die verschiedenen Leistungsarten in Deinem Stromsystem. Hier erfährst Du, welche Zusammenhänge bestehen und wie sich das auf Deine Stromrechnung auswirkt.

Auswirkungen auf Wirkleistung und Blindleistung

In der Elektrotechnik unterscheidet man drei Leistungsarten, die durch den Phasenwinkel miteinander verknüpft sind:

• Scheinleistung S (in VA): Das Produkt aus Spannung und Strom
• Wirkleistung P (in W): Der nutzbare Anteil, der tatsächlich Arbeit verrichtet
• Blindleistung Q (in var): Der Anteil, der zwischen Quelle und Verbraucher pendelt, ohne Arbeit zu verrichten

Diese drei Größen bilden das Leistungsdreieck mit der trigonometrischen Beziehung:

• S² = P² + Q²

Die Wirkleistung berechnet sich aus der Scheinleistung multipliziert mit dem Leistungsfaktor:

• P = S × cos φ

Ein Leistungsfaktor von 1 (φ = 0°) bedeutet, dass die gesamte Scheinleistung als Wirkleistung genutzt wird. Bei einem Leistungsfaktor von 0,7 gehen hingegen 30 % der übertragenen Leistung als Blindleistung verloren.

Blindleistungskompensation durch Kondensatoren kann den Leistungsfaktor verbessern. Für gewerbliche Kunden ist das besonders relevant, da Energieversorger die Bereitstellung von Blindleistung als Kostenfaktor berechnen können.

Besonderheiten bei Drehstrom-Leistungsberechnung

Die Formel für die Leistungsberechnung Drehstrom bei symmetrischer Belastung lautet:

• P = √3 × U × I × cos φ

Dabei ist U die verkettete Spannung zwischen zwei Außenleitern (in Deutschland 400 V) und I der Leiterstrom. Der Faktor √3 (etwa 1,732) ergibt sich aus der geometrischen Beziehung der drei um 120° verschobenen Phasen.

Bei unsymmetrischen Drehstromsystemen, wenn die Lasten ungleich verteilt sind, muss jede Phase einzeln berechnet und die Ergebnisse addiert werden. Diese Situation tritt in Haushalten häufiger auf als in Industrieanlagen, wo symmetrische Drehstrommotoren dominieren.

Größere PV-Wechselrichter arbeiten dreiphasig und speisen auf allen drei Phasen gleichmäßig ein. Dadurch tragen sie zur Netzstabilität bei und vermeiden unsymmetrische Belastungen.

Integration mit dem Sunpura S2400 Speicher

Der Sunpura S2400 optimiert nicht nur Deinen Eigenverbrauch, sondern unterstützt auch die Leistungsqualität in Deinem Hausnetz. Der integrierte Wechselrichter verfügt über intelligente Steuerungsfunktionen, die den Leistungsfaktor aktiv regeln können.

Durch die flexible Verwendung von AC- oder DC-Kopplung lässt sich der S2400 optimal in bestehende PV-Systeme integrieren. Die DC-Kopplung minimiert Wandlungsverluste, während die AC-Kopplung eine einfache Nachrüstung ermöglicht.

Die Sunpura App zeigt Dir in Echtzeit, wie Dein System arbeitet, und liefert Daten zur Leistungsqualität. So erkennst Du, ob Verbraucher mit hoher Blindleistung Deinen Eigenverbrauch beeinträchtigen, und kannst gezielt optimieren.

Optimierung: Phasenverschiebung reduzieren und Effizienz steigern

Um die Effizienz Deines Stromsystems zu verbessern und Phasenverschiebungen zu minimieren, kannst Du verschiedene Maßnahmen ergreifen:

• Kondensatoren zur Blindleistungskompensation neutralisieren die induktive Wirkung von Motoren und Transformatoren. In Gewerbebetrieben sind Kompensationsanlagen Standard, aber auch für Haushalte mit Wärmepumpen kann sich eine gezielte Kompensation lohnen.
• Intelligente Verbrauchssteuerung sorgt dafür, dass induktive Lasten wie Waschmaschine oder Trockner zeitversetzt laufen und nicht gleichzeitig hohe Blindleistung erzeugen. Smart-Home-Systeme können diese Steuerung automatisieren.
• Die optimale Dimensionierung von PV-Wechselrichtern ist ebenfalls wichtig: Überdimensionierte Wechselrichter arbeiten im Teillastbereich oft mit schlechterem Leistungsfaktor als bei Nennlast.
• Zeitgesteuerte Aktivierung von Großverbrauchern wie Wärmepumpen während der Sonnenstunden maximiert nicht nur den Eigenverbrauch, sondern sorgt auch für eine gleichmäßigere Auslastung des Hausnetzes.

Technische Normen und Grenzwerte

Die VDE-Normen definieren Anforderungen an den Leistungsfaktor für verschiedene Anwendungsbereiche. In Haushalten wird üblicherweise ein Leistungsfaktor von mindestens 0,9 angestrebt, in der Industrie sind die Anforderungen oft strenger.

Energieversorger legen in ihren Netzanschlussbedingungen Grenzwerte für die Blindleistung fest. Bei Überschreitung können zusätzliche Kosten entstehen oder technische Maßnahmen erforderlich werden.

Die TAB (Technische Anschlussbedingungen) regeln unter anderem die Voraussetzungen für Drehstromanschlüsse und definieren, welche Leistungsfaktoren bei der Einspeisung einzuhalten sind.

PV-Wechselrichter müssen gemäß aktueller Normen in der Lage sein, den Leistungsfaktor aktiv zu regeln. Diese Funktion trägt zur Netzstabilität bei und ist bei der Anmeldung von Einspeiseanlagen relevant.

Für Speichersysteme wie den Sunpura S2400 gelten die Netzanschlussbedingungen für Erzeugungsanlagen. Der S2400 erfüllt alle gängigen Normen und kann problemlos in bestehende und neue PV-Anlagen integriert werden.