Power factor en harmonischen - simpel uitgelegd

Cosinus phi

Een elektrische installatie wordt gevoed met wisselspanning: AC. Hierbij wisselt de spanning (in Volt) voortdurend van richting, met een sinusoïdaal profiel tot gevolg. Bij belasting van de installatie, bijvoorbeeld als we het licht inschakelen, zal er een stroom vloeien (in Ampère), die in het eenvoudigste geval – afhankelijk van het type lichtbron of elektrisch toestel - ook een sinusoïdale vorm zal aannemen.

Soms is er een verschuiving tussen het moment dat de stroom van richting wijzigt, en het moment dat de spanning van richting wijzigt. Deze faseverschuiving wordt gekwantificeerd door de 'cosinus phi'. In het ideale geval is er geen faseverschuiving, en dan is de cosinus phi = 1. De faseverschuiving ontstaat door inductieve of capacitieve elementen in de installatie. Magnetische ballasten bij fluolampen zijn bijvoorbeeld inductief.

Cos ɸ: maat voor faseverschuiving van de spanning tov. de stroom

Als de cosinus phi niet gelijk is aan 1, maar bijvoorbeeld slechts 0.8, zal de installatie meer stroom vragen van het net om hetzelfde nuttige vermogen te leveren. Dit is niet goed, want een hogere stroom zal tot meer verliezen leiden, door opwarming van de elektrische kabels. 

Harmonischen

Tegenwoordig zijn veel elektrische apparaten, waaronder ook drivers van ledarmaturen, opgebouwd uit elektronische circuits die geen continue stroom uit het net trekken maar eerder kortstondige pulsen. Dit leidt tot een stroomprofiel dat niet meer sinusoïdaal is maar een irreguliere vorm heeft.

Deze onregelmatige vorm, kan wiskundig omgevormd worden in een som van meerdere sinusoïdale profielen, waarvan de frequentie telkens een veelvoud van 50 Hertz is. Dit zijn de harmonischen: de eerste harmonische heeft een frequentie van 50 Hz, de derde harmonische van 150 Hz, de vijfde van 250 Hz, enzovoort.

Enkel de eerste harmonische levert nuttig vermogen! (De reden hiervoor is wiskundig en heeft te maken met het product van sinussen en cosinussen van verschillende frequenties). Maar de overige harmonischen zullen wel extra stroom vragen van het net en daarom tot bijkomende verliezen leiden. Bovendien kunnen hogere harmonischen de werking van andere op het net aangesloten apparaten beïnvloeden.

Deze effecten worden gemeten met de THD (Total Harmonic Distortion), hetgeen de som is van alle stromen van de hogere harmonischen, gedeeld door de stroom van de eerste harmonische.

THD: maat voor vervorming van de stroom

Een perfect sinusoïdale stroom zal geen harmonischen hebben, en dus THD = 0. Als de stroom gevraagd door de hogere harmonischen stijgt, stijgt ook de THD.

Power factor

De power factor (PF) brengt zowel het effect van de harmonischen als van de cosinus phi in rekening. Hiermee worden deze twee negatieve effecten dus geëvalueerd in één getal:

• De verschuiving van de stroom ten opzichte van de spanning (cosinus phi)
• De vervorming van de stroom, vergeleken met een perfecte sinus (THD)

PF: combinatie van Cos ɸ & THD

In het ideale geval is de power factor = 1. Als de cosinus phi te laag is, of the THD te hoog, zal de waarde van de power factor afnemen.

ETAP verlichtingsarmaturen en de power factor

Voor elektrische apparaten met een vermogen groter dan 25 Watt is volgens de norm EN6100-3-2 een minimale power factor (PF) van 0.9 vereist. De armaturen van ETAP met een vermogen boven 25W hebben daarom altijd een power factor PF > 0.9.

Men zal geen problemen ondervinden als er slechts enkele toestellen zijn met een lage power factor. Maar indien men bij een volledige installatie de fluolampen vervangt door led-tubes met een slechte PF, zal dit teveel stroom vragen van het net. Dit kan de oorzaak zijn van springende zekeringen, extra elektriciteitskosten, enzovoort.