Effektfaktor och övertoner: Enkel förklaring

Om du någonsin har blivit förvirrad av termer som effektfaktor, cosinus phi eller övertoner i samband med en LED-belysningsinstallation, då är denna artikel för dig. Vår specialist, Adriaan Van Nuffel, förklarar det på ett enkelt sätt.

Lästid: 3'45"

Rollen för Cosinus Phi

En elektrisk installation matas med växelström (AC). I detta fall byter spänningen (i volt) ständigt riktning, vilket resulterar i en sinusformad profil. När installationen belastas, till exempel när vi slår på ljuset, kommer en ström (i ampere) att flöda, vilket i det enklaste fallet, beroende på typ av ljuskälla eller elektrisk apparat, också kommer att ha en sinusformad form. 

Ibland finns det en förskjutning mellan det ögonblick då strömmen byter riktning och det ögonblick då spänningen byter riktning. Denna fasförskjutning kvantifieras av 'cosinus phi'. I det ideala fallet finns ingen fasförskjutning, och då är cosinus phi = 1. Fasförskjutningen orsakas av induktiva eller kapacitiva element i installationen.

Cos Phi: Relationen mellan spänning och ström

Om cosinus phi inte är lika med 1, utan till exempel bara 0,8, kommer installationen att kräva mer ström från nätet för att leverera samma användbara effekt. Detta är inte bra, eftersom högre ström kommer att leda till mer förluster genom uppvärmning av elektriska kablar.

Harmoniska i den elektriska världen

Nu för tiden är många elektriska apparater, inklusive LED-armaturer, uppbyggda med elektroniska kretsar som inte drar kontinuerlig ström från nätet utan snarare korta pulser. Detta leder till en strömprofil som inte längre är sinusformad utan har en oregelbunden form. 

Denna oregelbundna form kan matematiskt omvandlas till en summa av flera sinusformade profiler, där varje profil har en frekvens som är en multipel av 50 hertz. Detta kallas harmoniska: den första harmoniska har en frekvens på 50 Hz, den tredje harmoniska har en frekvens på 150 Hz, den femte har en frekvens på 250 Hz, och så vidare.

Endast den första sinusvågen levererar användbar effekt! (Detta beror på ett matematiskt princip som relaterar till interaktionen mellan olika frekvenser i sinus- och cosinusvågor). Detta kallas aktiv effekt, reaktiv effekt eller verklig effekt. Men de övriga harmoniska kommer att kräva extra ström från nätet och leda till ytterligare förluster. Detta kallas skenbar effekt, reaktiv effekt eller blind effekt. Dessutom kan högre frekvenser påverka driften av andra enheter anslutna till nätet. 

Allt detta mäts med Total Harmonic Distortion (THD), som är summan av alla strömmar från de högre frekvenserna, dividerat med strömmen från den första frekvensen. 

THD: Ett mått på strömstörning

En perfekt sinusformad ström kommer inte att ha några övertoner, och därmed gäller THD = 0. När den ström som efterfrågas av de högre övertonerna ökar, ökar även THD.

Betydelsen av effektfaktorn

Effektfaktorn (PF) tar hänsyn till både effekterna av övertoner och cosinus phi. Därmed utvärderas dessa två negativa effekter i ett enda värde: 

• Förskjutningen av strömmen i förhållande till spänningen (cosinus phi) 
• Distorsionen av strömmen jämfört med en perfekt sinusvåg (THD)

Effektfaktor: En balans mellan Cos Phi och THD

I det ideala fallet är effektfaktorn lika med 1. Om cosinus phi är för låg eller THD är för hög kommer värdet för effektfaktorn att minska.

ETAP-belysning och effektfaktorn

• Enligt standarden EN61000-3-2 krävs en minsta effektfaktor (PF) på 0,9 för elektriska enheter med en effekt större än 25 watt. ETAP-armaturer med en effekt över 25 W har alltid en effektfaktor PF > 0,9.
   
• Problemet uppstår vanligtvis med elektriska enheter med en effekt lägre än 25 watt. Dessa kan ha en mycket dålig effektfaktor. Detta kan vara fallet för exempelvis telefonladdare, datorer, TV-skärmar, men även lågeffektiva LED-lampor (på bostadsmarknaden) eller av låg kvalitet LED-rör.
   
• Det kommer inte att finnas några problem om endast några få enheter har en låg effektfaktor. Men om lysrör ersätts med LED-rör med dålig effektfaktor i en hel installation kommer detta att kräva för mycket ström från nätet. Det kan leda till att säkringar går sönder, extra elkostnader med mera.