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Berechnungsfaktoren

cos φ (Cosinus phi)

Auch bekannt als: Leistungsfaktor, Wirkfaktor, cos phi, Cosinus phi

Symbol

cos φ dimensionslos (0 bis 1)

Kurzantwort

cos φ, ausgeschrieben Cosinus phi, ist der Leistungsfaktor. Er gibt an, welcher Anteil der Scheinleistung als nutzbare Wirkleistung ankommt — definiert durch cos φ = P/S, dimensionslos 0–1. Bei cos φ = 0,8 fließen für dieselbe Wirkleistung 25 % mehr Strom als bei 1,0.

Orientierungshilfe · Prüfung durch Elektrofachkraft erforderlich Mehr →

Der Leistungsfaktor taucht in fast jeder Wechselstrom-Berechnung dieser Site als Eingangswert auf, vom Kabelquerschnitt bis zur Motorabsicherung. Welche Berechnungen ihn verwenden, zeigt das Verzeichnis aller Rechner dieser Seite .

Formel-Referenz

Wie berechne ich cos φ aus Leistung, Spannung und Strom?

Der Leistungsfaktor ist das Verhältnis von Wirkleistung P zu Scheinleistung S. Die Scheinleistung ergibt sich aus Spannung und Strom, die Wirkleistung muss gemessen werden — mit einem Leistungsmessgerät oder am Energiezähler. Aus U und I allein lässt sich cos φ nicht bestimmen.

  • Einphasig (230 V): cos φ = P / (U · I)
  • Drehstrom (400 V): cos φ = P / (√3 · U · I), mit U als Spannung zwischen zwei Außenleitern und I als Strom je Außenleiter
W

aus Datenblatt oder Leistungsmessung

V
A

Leistungsfaktor laut Berechnung

cos φ = 0,87

S = U · I = 2.300 VA · Q = 1.136 var · φ = 29,6°

Der Rechner wertet vorhandene Werte aus: P stammt aus Datenblatt oder Leistungsmessung, U und I aus Typenschild oder Messung. Ist P größer als S, passen die Werte nicht zusammen.

  1. Beispiel einphasig: 1.800 W Wirkleistung bei 230 V und 8,7 A ergeben S = 230 V · 8,7 A = 2.001 VA und damit cos φ = 1.800 W / 2.001 VA = 0,90.
  2. Beispiel Drehstrom: 5.500 W Wirkleistung bei 400 V und 9,3 A ergeben S = √3 · 400 V · 9,3 A = 6.443 VA und damit cos φ = 5.500 W / 6.443 VA = 0,85.

Beim Motor zählt die aufgenommene elektrische Wirkleistung, nicht die Wellenleistung vom Typenschild — sonst fällt cos φ um den Wirkungsgrad zu klein aus. Umgekehrt liefert dieselbe Formel den Strom: I = P / (U · cos φ) bzw. I = P / (√3 · U · cos φ). Mit eigenen Werten weiterrechnen lässt sich im Drehstrom-Leistungsrechner.

Wie hängen Wirk-, Blind- und Scheinleistung zusammen?

Im Leistungsdreieck liegt die Wirkleistung P waagrecht, die Blindleistung Q steht senkrecht darauf, und die Scheinleistung S ist die schräge Seite. φ ist der Winkel zwischen P und S — derselbe Winkel, um den der Strom gegenüber der Spannung verschoben ist. cos φ = P/S lässt sich so direkt als Seitenverhältnis ablesen. Weil P und Q nicht einfach addiert werden, sondern nach S² = P² + Q², steckt in 20 % Abstand zu cos φ = 1 mehr Blindleistung, als die Zahl vermuten lässt: Bei cos φ = 0,8 ist Q = 0,6 · S.

Leistungsdreieck zum Leistungsfaktor cos phi: Wirkleistung P waagrecht, Blindleistung Q senkrecht, Scheinleistung S als Hypotenuse, Winkel φ zwischen P und S, mit cos φ = P/S und S² = P² + Q²
Leistungsdreieck: Wirkleistung P und Blindleistung Q stehen senkrecht aufeinander und addieren sich geometrisch zur Scheinleistung S. Gezeichnet für cos φ = 0,8 — dann ist S = P / 0,8 = 1,25 · P: Für dieselbe Wirkleistung fließen bei gleicher Spannung 25 % mehr Strom als bei cos φ = 1. Eigene Darstellung. Grafik: TGB Automation, frei nutzbar unter CC BY 4.0.

Ausführliche Definition

Bei Wechselstrom ist Spannung und Strom nicht immer in Phase. Induktive Verbraucher wie Motoren oder Transformatoren verschieben den Strom gegenüber der Spannung nach hinten, kapazitive Verbraucher wie Kondensatoren nach vorne. Das Verhältnis zwischen der tatsächlich genutzten Wirkleistung und der gesamten Scheinleistung ist der Leistungsfaktor cos φ. Ein rein ohmscher Verbraucher wie eine Glühlampe hat cos φ = 1,0, ein typischer Asynchronmotor bei Nennlast etwa 0,85. Der Wert ist für die Berechnung des Betriebsstroms und des Spannungsfalls entscheidend, weil nur der Wirkstrom zum Spannungsfall in einem reinen Wirkwiderstand beiträgt.

Typische Werte und Bandbreite

Typischer Bereich 0,9 bis 1,0 bei Haushaltsgeräten
Untergrenze etwa 0,3 bei leerlaufenden Motoren
Obergrenze 1,0 bei rein ohmschen Lasten (Heizung, Glühlampe)

Interaktive Grafik

Kurve zeigt den Gesamtstrom I bei konstanter Wirkleistung P als Funktion des cos φ. Sinkt cos φ, muss das Kabel mehr Scheinstrom tragen.

cos φ und Gesamtstrom — ein schlechter Leistungsfaktor frisst Querschnitt
cos φ 0,95 Gesamtstrom I = 16,7 A
cos φ und Gesamtstrom — ein schlechter Leistungsfaktor frisst QuerschnittGesamtstrom I in Abhängigkeit von cos φ, 50 Punkte.0,300,440,580,720,86111,422,934,445,957,4cos φGesamtstrom I [A]0,95 · 16,7 A
0,95
11,00 kW

Beispiel: bei cos φ = 0,95 ergibt sich Gesamtstrom I = 16,7 A.

Der Gesamtstrom I steigt umgekehrt proportional mit fallendem cos φ — bei 11 kW an 400 V fließen mit cos φ = 0,8 rund 19,8 A je Außenleiter statt 15,9 A bei cos φ = 1,0, also 25 % mehr. Diese zusätzlichen Ampere muss das Kabel tragen, ohne dass die nutzbare Wirkleistung steigt. Darum verlangen Industrie-Netzbetreiber mindestens 0,95 und stellen sonst Blindstromgebühren in Rechnung.

Anwendung in unseren Rechnern

In unseren Rechnern geht cos φ in die Spannungsfallformel ein. Eine Wallbox lädt mit cos φ ≈ 1,0 (elektronisch korrigiert), eine Wärmepumpe mit cos φ ≈ 0,95 wegen der elektronisch geregelten Kompressoren. Im Expert-Modus können Sie den Wert manuell setzen, auf den Anwendungsseiten der Rechner ist er je Gerät voreingestellt.

Häufige Missverständnisse

Häufig wird cos φ mit dem Wirkungsgrad verwechselt — das sind zwei unabhängige Größen. Ein Motor kann 95 % Wirkungsgrad haben und trotzdem nur cos φ = 0,8 aufweisen. Auch wird oft übersehen, dass bei Industriebetrieben schlechter cos φ vom Netzbetreiber mit Blindstromgebühren sanktioniert wird.

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Häufige Fragen

Fachliche Details zu dieser Berechnung

Wie berechnet man cos phi?
Wechselstrom: cos φ = P/(U·I). Drehstrom: cos φ = P/(√3·U·I) mit U = 400 V und dem Strom je Außenleiter. Beispiel: 2,0 kW bei 230 V und 10 A ergeben 2.000 W / 2.300 VA ≈ 0,87; 11 kW an 400 V mit 18,7 A ergeben 11.000 W / 12.956 VA ≈ 0,85. U·I allein ist die Scheinleistung — P stammt aus Datenblatt oder Leistungsmessung.
Was bedeutet cos φ = 0,9?
90 % der Scheinleistung kommen als Wirkleistung beim Verbraucher an. Die Blindleistung ist aber nicht die Differenz von 10 %: Wirk- und Blindleistung addieren sich geometrisch (S² = P² + Q²), sie beträgt rund 44 % der Scheinleistung (sin φ ≈ 0,44) und pendelt ohne Arbeit hin und her.
Warum ist cos φ wichtig für den Kabelquerschnitt?
Weil das Kabel den Scheinstrom tragen muss — also mehr als der Wirkleistung entspricht. Bei cos φ = 0,8 fließt durch das Kabel etwa 25 % mehr Strom als bei gleicher Wirkleistung und cos φ = 1,0. Der Querschnitt muss entsprechend größer gewählt werden.
Wie kann man cos φ verbessern?
Durch Kompensationskondensatoren parallel zu induktiven Verbrauchern. In der Industrie üblich sind zentrale Blindleistungs-Kompensationsanlagen, die den cos φ am Hausanschluss auf mindestens 0,95 heben, um Blindstromgebühren zu vermeiden.
Welchen cos φ hat eine Wallbox?
Praktisch 1,0. Der On-Board-Charger des Fahrzeugs arbeitet mit aktiver Leistungsfaktor-Korrektur (PFC), sodass eine 11-kW-Wallbox nahezu reine Wirkleistung zieht — bei 400 V rund 16 A je Außenleiter. In der Querschnitts-Berechnung wird deshalb cos φ = 1,0 angesetzt; unsere Wallbox-Anwendungen rechnen so.

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