Categorie: Elektrotechniek

Het effect van harmonische vervorming op ons net

Het effect van harmonische vervorming op ons net; Power Quality deel 3.

In deel 3 van onze serie over Power Quality gaan we in op het effect van harmonische vervorming op ons net. In deel 2 hebben we gezien wat de effecten zijn van harmonische vervorming op de arbeidsfactor ofwel de powerfactor. Dat was minimaal. Een hoge harmonische vervorming heeft echter wel een groot effect op ons net. Om dat beter te begrijpen moeten we even iets verder kijken dan het toestel.

3 fasen spanning en het effect van harmonische vervorming op ons net

Ons elektriciteitsnet is een drie fasen net. Dat wil zeggen we maken in Nederland gebruik van een drie fasen net maar onze armaturen sluiten we op 1 fase aan. Het elektriciteitsnet moet gebalanceerd gebruikt worden. Dat is niet altijd even eenvoudig. Op onze grote netten geldt echter de wet van de grote getallen en als we de installatie goed verdeeld aanleggen dan worden de fasen vanzelf gebalanceerd belast. Natuurlijk geld dat grote fabrieken etc daar wel voor moeten zorgen maar in relatief kleine installaties kunnen we dat niet.

Iedere huis installatie wordt aangesloten op 1 fase (meestal komen alle 3 wel binnen maar wordt er slechts 1 gebruikt. Het huis naast het eerste huis wordt dan op de volgende fase aangesloten en die daarna weer op de volgende en dan beginnen we weer bij de eerste. Dat geldt ook voor onze lichtmasten. Die worden ook om de beurt op een andere fase aangesloten en daarmee ontstaat een gebalanceerd net. In onderstaande plaatje wordt dit weergegeven.

Lichtmasten op 3 fasen

Wat heeft dat te maken met het effect van harmonischen op ons net? In een perfect systeem waar de stromen alle onvervormd zijn en het net netjes is uitgebalanceerd is de stroom die uiteindelijk in de nul geleider loopt 0. De stromen lopen in dat geval van fase naar fase. De nul is enkel de verbindende factor tussen de armaturen.

De wet van Kirchhof

De wet van Kirchhof leert dat de stromen in een knooppunt bij elkaar opgeteld altijd 0 zijn. Voor de 50 Hz stroom betekend dat dus dat wanneer de stroom in de ene fase 100% is ze in beide andere fasen 50% zijn en de som is dan nul. In de nul geleider loopt dan geen stroom. De armaturen zijn uiteindelijk in ster geschakeld zoals we in het vorige figuur zagen. Dat ziet er dan schematisch als volgt uit.

3 fasen schakeling in ster

De wet van kirchof leert dan dat de stromen I1 + I2 + I3 + I4 opgeteld 0 moeten zijn. In onderstaande figuur zien we de fasestromen op een willekeurig moment en we zien dan dat de stromen I1 + I2 + I3 bij elkaar opgeteld reeds 0 zijn. In de nulgeleider loopt dan dus geen stroom. In het voorbeeld is dat I1 + I2 + I3 + I4 = 0,5 + 0,5 + -1+ 0 = 0.

Gebalanceerde momentane stroom is 0

De stromen van de oneven harmonischen (3, 5, 7 etc) tellen zich echter op. De optelling tussen de fasen is daardoor niet nul. Die stromen worden dan afgevoerd via de nul geleider. Zie hieronder het figuur van een sterk vervormde stroom. De lijn is weer getrokken op een willekeurig moment en daar zien we direct dat de optelling van de stromen door de fasen niet 0 is. Het resultaat van de optelling wordt dan afgevoerd via de nulgeleider. In het voorbeeld kunnen we ongeveer stellen dat I1 + I2 + I3 + I4 = 1,2 + 1,2 + -1,2+ I4 = 0. Daaruit volgt dat I4 is -1,2!! Die stroom loopt dus in de nulgeleider. Het effect van de harmonische vervorming op ons net is daarmee dat de stromen gaan lopen in de nulgeleider en er een potentieel voor overbelasting ontstaat.

Effecten van harmonische vervorming op ons net

Het resultaat in een openbaarverlichtingssyteem.

In onderstaande plaatjes zien we een sterk vervormde 3 fasen stroom. In iedere fase hebben we dezelfde vervorming aangebracht. Dat zal in de praktijk in een openbare verlichtingsinstallatie ook heel normaal zijn. We gebruiken tenslotte in een installatie steeds hetzelfde armatuur. In het eerste plaatje zien we de spanningen en in het tweede plaatje de stromen. Je ziet dat de stromen netjes in fase zijn met de respectievelijke spanningen. Dat betekend meteen dat de displacement factor 1 is (zie ook het deel 1 uit deze reeks).

Invloed van harmonische vervorming op ons net

In het onderstaande plaatje zie je dan wat de resulterende stroom is in de nul geleider van de boven zichtbare stromen. Hier zie je dan het effect van de harmonische vervorming op ons net. Een gek signaal? Nee het zijn de oneven harmonischen opgeteld en dat levert dus een andere stroom dan de normale 50 Hz stroom.

Invloed van harmonische vervorming op ons net

Conclusie over het effect van harmonische vervorming op ons net.

De resulterende stroom bij de maximaal toegestane harmonische vervorming volgens de huidige wetgeving levert dan een stroom op die bijna gelijk is aan de stroom die in de fasen loopt. Dat wil dus zeggen als de harmonische vervorming binnen de wettelijke eist ligt kan geen overbelasting van de nul geleider ontstaan. Namelijk een standaard installatie wordt bedraad met gelijke ader doorsnedes voor de Nul en de Fase. Dat wil zeggen normaliter 2,5 mm2. De stroom door de nul mag dus nooit hoger worden dan de stroom door de fasen en dat hebben we bereikt met de limitatie van de harmonischen.

Maar wat als we nu een vervorming hebben en een fase verschuiving? Dat lees je in het volgende deel.

Dit artikel is onderdeel van het complete verhaal over power quality. In een korte serie van artikelen ga ik in op alle factoren die de zogenaamde power quality bepalen. We hebben het dan over power factor / arbeidsfactor, cosinus φ / fase verschuiving en harmonische vervorming. Wat is het allemaal en welke relaties heeft het met elkaar. Welke invloeden hebben deze factoren op onze netten. Aanleiding is dat in de nieuwe later dit jaar uit te komen “one lighting regulation” de wettelijke regels worden aangepast.

Deel 1 van de reeks gaat over De cosinus φ (cos φ), fase verschuiving, displacement factor.

Deel 2 van de reeks gaat over Harmonische vervorming, THD, Distortion factor.

Harmonische vervorming

Harmonische vervorming, THD, Distortion factor; Power Quality deel 2.

Harmonische vervorming, THD, Distortion factor, wat zijn dat voor een factoren. Hoe wat voor een invloed hebben die? Wat is het allemaal en welke relaties heeft het met elkaar. Welke invloeden hebben deze factoren op onze netten. Aanleiding is dat in de nieuwe later dit jaar uit te komen “one lighting regulation” de wettelijke regels worden aangepast. In dit deel dus de harmonische vervorming.

Harmonische vervorming

In deel 1 hebben we fase verschuiving uitgelegd, ofwel de cosinus φ of wel displacement factor. Naast dat fenomeen kennen we ook de vervorming. Wat is nu precies vervorming en waardoor ontstaat dat. In onderstaande figuur zien we weer even hoe een zuiver sinusvormige spanning en stroom eruitziet.

Ohmse belasting, cosinus φ / displacement factor = 1
Ohmse belasting, cosinus φ / displacement factor = 1

Vervorming ontstaat doordat de stroom die wordt opgenomen door een toestel niet de sinusvorm van de spanning meer volgt. Dit wordt voornamelijk veroorzaakt door het gedrag van elektronica. Je hoeft namelijk alleen stroom op te nemen als het nodig is en zoveel als nodig is. Joseph Fourier, heeft aangetoond dat elke wiskundige functie geschreven kan worden als een som van sinussen. We spreken van een hogere harmonische wanneer deze een frequentie heeft die een veelvoud is van de grondgolf. Bij onze netspanning van 50 Hz (grondgolf) heeft de 2e harmonische een frequentie van 2 x 50 = 100 Hz, de 3e  harmonische 3 x 50 = 150 Hz, enz.

Hieronder zien we in de figuur een sterk vervormde stroom. Let op de fase verschuiving in deze figuur is 0 (ofwel de displacement factor = cosinus φ = 1)

Harmonische vervorming, THD, Distortion factor

THD

Laten we dit signaal verder gaan analyseren. Eerst een Fourier analyse doen en dan komen we op het volgende plaatje. Op de horizontale as zien we de harmonischen. 1 staat voor de grondgolf ofwel de 50 Hz, de 2 voor de tweede harmonische ofwel de 100 Hz etc. Op de verticale as de stroom in procenten van de grondgolf. De grondgolf is dan natuurlijk ook 100 %.

Harmonische vervorming, THD, Distortion factor

Hier zien we dat de stroom derde harmonische (150 Hz) bijna 30% bedraagt van de grondgolf stroom. Het signaal wat we hier hebben afgebeeld is afgestemd op de maximaal toegestane harmonische vervorming. Dat wil zeggen voor verlichtingstoestellen met een vermogen boven de 25 W. Zoals je ziet een flinke vervorming is toelaatbaar. Als we dan de totale harmonische vervorming (THD) uitrekenen;

THD = √ ((I2² + …. In²) / I1²)

Waarin;
THD => Total harmonic distortion
I2…n => stroom van de nde harmonische
I1 => Stroom van de grondgolf (50 Hz)

Als we dat van het afgebeelde signaal uitrekenen komen we op 33,5 % uit.

Distortion factor

Met dit getal kunnen we dan vervolgens de distortion factor berekenen. Die hebben we nodig om uiteindelijk te kunnen uitrekenen welk effect deze vervorming heeft op ons effectief vermogen.

Kdistortion = 1/√(1+THD²)

Waarin;
Kdistortion => Distortion factor
THD => Total harmonic distortion

Als we dat uitrekenen voor dit voorbeeld komen we op 0,95.

Het effect van de harmonische vervorming het opgenomen vermogen

Hiermee kunnen we nu uitrekenen wat deze vervorming voor een effect heeft of ons effectief vermogen. Het effectieve vermogen wat geleverd wordt is;

Peff = U x I x λ = U x I x Kdisplacement x Kdistortion

Waarin;
Peff => Opgenomen vermogen
U => Spanning
I => Opgenomen stroom
λ => Arbeidsfactor (power factor)
Kdisplacement => Displacement factor of faseverschuiving of cosinus φ
Kdistortion => Vervormingsfactor

In dit geval komen we dan uit op een opgenomen vermogen van 230 W terwijl het schijnbare vermogen 242 W is.

Het effect van deze vervorming op de stijging in de opgenomen stroom is gering. De opgenomen stroom is 1,05 A terwijl voor het effectieve vermogen slechts 1,00 A nodig zou zijn geweest.

Het effect van de vervorming op de opgenomen stroom is niet zo groot als we bij de fase verschuiving zagen in het vorige artikel. Waarom moeten we ons dan toch druk maken over de harmonische vervorming? In het volgende deel gaan we verder kijken naar vervorming en de effecten daarvan.

#armaturenregister #elektrotechniek #lighting #openbareverlichting #straatverlichting #verlichting

Cosinus φ

De cosinus φ (cos φ), fase verschuiving, displacement factor; Power quality deel 1.

De cosinus φ (cos φ) of displacement factor? Nu maar eens het complete verhaal over power quality. In een korte serie van artikelen ga ik in op alle factoren die de zogenaamde power quality bepalen. We hebben het dan over power factor / arbeidsfactor, cosinus φ / fase verschuiving en harmonische vervorming. Wat is het allemaal en welke relaties heeft het met elkaar. Welke invloeden hebben deze factoren op onze netten. Aanleiding is dat in de nieuwe later dit jaar uit te komen “one lighting regulation” de wettelijke regels worden aangepast.

Cosinus φ / displacement factor

Iedereen kent wel de cosinus φ als belangrijke grootheid in elektrische systemen. Dit is niet geheel onterecht echter wordt de factor vaak niet correct gebruikt. De fase verschuiving van spanning ten opzichte van de stroom noemen we de cosinus φ of displacement factor

Ohmse belasting, cosinus φ / displacement factor = 1
Ohmse belasting, cosinus φ / displacement factor = 1

In bovenstaande afbeelding zien we twee sinusvormige signalen. De stroom en spanning zijn in dit geval exact gelijk qua vorm en volgen elkaar exact. Ze zijn dus “in fase”. Dat betekend ook dat de cosinus φ of displacement factor 1 is. Spanning en stroom zijn exact in fase.

Dit heeft niets met de vervorming te doen. Dat noemen we harmonische vervorming en komt in het volgende artikel aan de orde.

Bij deze belasting is de spanning en stroom exact in fase en dan spreken we over een zuiver “ohmse” belasting. Dit komt niet heel veel voor maar bijvoorbeeld een verwarmingselement is een “ohmse” belasting.

Inductieve of capacitieve belasting

Zodra we een spoel of een condensator in de keten hebben krijgen we te maken met een fase verschuiving.

Cosinus φ / Displacement factor < 1
Cosinus φ / Displacement factor = 0,5

In bovenstaande afbeelding zien we dat de spanning en stroom niet meer in fase zijn. We zien hier een fase hoek van ongeveer 60 graden. Dat betekent dat de cosinus φ = displacement factor = 0,5 is. In dit geval is er een inductieve last.

Wat is het gevolg van een lage displacement factor / cosinus φ

Indien de displacement factor klein is heeft dat gevolgen. Om hetzelfde effectieve vermogen te bereiken is een grotere stroom noodzakelijk. Dat wil zeggen als de displacement factor / cosinus φ 0,5 is dan is een twee keer zo grote stroom nodig om hetzelfde effectieve vermogen te bereiken.

Het effectieve vermogen bepalen we dan als volgt:

Peff = U x I x Kdisplacement

Of meer bekend;

Peff = U x I x Cos φ

Waarin:
Peff => opgenomen vermogen in W
U => Aansluitspanning in V
I => Opgenomen stroom in A
Kdisplacement => displacement factor = cosinus φ

Dus in de bovenstaande signalen hebben we te maken met een 230 V netspanning en een stroom van 1 A. Dat betekend dat het opgenomen effectieve vermogen 115 W is. Zou zoals bij het eerste signaal de stroom en spanning exact in fase zijn geweest zou het effectieve vermogen dus 230 W zijn geweest.

In het tweede geval heb je, om hetzelfde vermogen op te nemen, 2 x zoveel stroom nodig uit het net.

Gevolg is dan:
– Op 1 groep zijn minder van de gelijke toestellen aan te sluiten
– Het zogenaamde “blind” vermogen moet wel worden getransporteerd door ons distributie net. Het wordt echter niet afgerekend. Het gevolg zijn extra verliezen in het net die niet gedekt zijn.
– Doordat de stromen groter zijn moeten de kabels dikker zijn of moeten er meer groepen worden aangelegd. In beide gevallen is meer materiaal nodig om hetzelfde effectieve vermogen te kunnen gebruiken.

Relatie tot de arbeidsfactor

Vaak wordt de arbeidsfactor en cosinus φ door elkaar gebruikt. Belangrijk is te beseffen dat dat niet klopt. Echter in dit specifieke geval zijn de arbeidsfactor en de cosinus φ / displacement factor aan elkaar gelijk.

Indien de sinus ook nog vervormd zou zijn gaat dit niet meer op. In het volgende deel gaan we verder kijken naar vervorming en de effecten daarvan.

Volgende keer Harmonische vervorming, THD, Distortion factor; Power Quality deel 2

#armaturenregister #openbareverlichting #straatverlichting #verlichting

Het risico van harmonische vervorming.

Hogere harmonischen ontstaan wanneer de netstroom niet meer zuiver sinusvormig is. Dit kan een gevolg zijn van een niet zuiver sinusvormige netspanning, of een vervorming van de netstroom veroorzaakt door toegepaste elektronica in o.a. verlichtingstoestellen. Wat zijn de gevolgen en hoe drukken we dit uit. Wat zijn de wettelijke eisen. In dit artikel proberen we hier meer duidelijkheid over te geven.

Wanneer een netspanning/stroom vervormd is kan dit problemen op leveren in de installatie. Wat is harmonische vervorming? Joseph Fourier, wiskundige (1768 – 1830) heeft aangetoond dat elke wiskundige functie geschreven kan worden als een som van sinussen en cosinussen met verschillende frequenties. In onderstaande figuur staat een blokspanning weergegeven. In de figuur zie je tevens hoe de blokspanning middels verschillende sinusvormige spanningen is opgebouwd zoals Fourier beschreef.

De totale harmonische vervorming (THD, Total Harmonic Distortion). De wortel uit de som van de harmonische stromen in het kwadraat gedeeld door de basis stroom stroom in het kwadraat (in procent). We spreken van een hogere harmonische wanneer deze een frequentie heeft die een veelvoud is van de grondgolf. Bij onze netspanning van 50Hz (grondgolf) heeft de 2e harmonische een frequentie van 2 x 50 = 100 Hz, de 3e harmonische 3 x 50 = 150 Hz, enz.

In formule vorm:

Bepaling van de harmonische stromen

Om de waarde te bepalen maken we gebruik van gespecialiseerde apparatuur die ons direct de waarde van de harmonischen geeft en ook direct de THD bepaald. Belangrijk is wel om te bepalen volgens welke specificatie het instrument meet. Als de vervorming sterker is zijn vaak hogere frequenties aanwezig. Afhankelijk van de apparatuur worden die wel of niet mee gemeten. Ook kan het zijn dat de meetnorm een specifiek bereik voorschrijft.

Wat is het risico van een hoge THD?

Verstoring van andere apparatuur:

Een hoge THD kan storingen in het netwerk veroorzaken waardoor met name gevoelige elektronische apparatuur ontregeld kan raken.

Ongemerkte overbelasting van het net:

Bij een goed gebalanceerde 3 fase schakeling is de vectoriële som van de 3 fase geleider stromen door de nul leider 0. Dit betekent dat er geen stroom door de “nul geleider” loopt. Echter bij de hogere harmonischen, met name de 3e, 9e, 15e,21e geldt dit niet. Deze harmonischen van de 3 afzonderlijke fase geleiders zijn in fase met elkaar en accumuleren in de nul geleider.

R, S, en T zijn de grondgolven in de 3-fase geleiders. a = 3e harmonische stroom van één fase. b = 3e gecumuleerde harmonische van alle 3 de fasen in de nul geleider. De afzonderlijke harmonische stromen versterken elkaar. Behalve de 3e harmonische cumuleren ook de 9e , 15e, 21e enz. harmonischen in de nul geleider.

De THD geeft het percentage weer van de hoogste waarde van de afzonderlijke fase geleiders. Dit heeft tot gevolg dat deze 3e harmonische stromen in de afzonderlijke fasen kunnen voldoen aan de max. toegestane 3e harmonische waarde van ca. 30%. Echter wanneer we de 3e, 9e, 15e, en 21e bij elkaar optellen kan deze waarde veel hoger worden dan 30%.

Een voorbeeld:

Bovenstaand voorbeeld laat zien dat ondanks dat de 3e harmonische ≤ 30% is, ten gevolge van het resterende harmonischen de stroom door de nul geleider uiteindelijk ca. 2 x zo hoog wordt dan de afzonderlijke fase stromen. Dit heeft tot gevolg dat de nul leider overbelast raakt en brandgevaar kan ontstaan.

In dit voorbeeld; Som in één fase: = (3e)30% +(9e)15% +(15e)10% + (21e)9% = 64% .
Voor alle 3 de fasen gezamenlijk is dit 3 x 64% = 192%, of ca. 2 x de afzonderlijke fase stroom.

Oorzaken van harmonische vervorming

De belangrijkste oorzaken van vervorming:

a) De aangeboden netspanning kan hogere harmonischen bevatten. De elektriciteit leveranciers moeten voldoen aan de afgesproken standaard voor max. THD volgens EN 50160

b) Een ander geval is het wanneer de net spanning geleverd wordt door een lokale generator. Bij grote bedrijven of waar onder horticulture bedrijven komt dit nog al eens voor.

c) Het led armatuur zelf is verantwoordelijk voor het generen van hogere harmonischen. Wanneer bij de nieuwe Led armaturen hogere harmonischen worden gemeten is dit voornamelijk te wijten aan de driver.

d) Ook dimmers kunnen hogere harmonischen veroorzaken. Wanneer de lichtbron wordt gedimd neemt het percentage hogere harmonischen t.o.v. de 50 Hz grondgolf toe. De absolute stroom waarden van de afzonderlijke harmonischen worden lager.

Verplichtingen van de fabrikant

Op dit onderwerp zijn voor producten (het armatuur) twee richtlijnen van toepassen. Let op dit wordt een richtlijn genoemd maar is een wettelijke eis en fabrikanten zijn verplicht om aan die eisen te voldoen als ze producten willen leveren.

– EMC richtlijn
– ErP richtlijn
– In sommige gevallen geld de RED richtlijn

Om aan de EMC richtlijn te voldoen wordt de norm EN 61000-3-2 gebruikt. Deze norm vereist een arbeidsfactor van 0,9 voor armaturen met een vermogen > 25 W. Ook zijn in die norm eisen gesteld aan de specifieke harmonischen.

Voor vermogens onder de 25 W kent de EMC richtlijn geen norm. Echter de ErP richtlijn kent daar weer wel eisen. De eisen zijn daar:

≤ 2 W: Geen eisen
> 2 W en ≤ 5 W: λ ≥ 0,4
> 5 en < 25 W: λ ≥ 0,5
≥ 25 W: λ ≥ 0,9

Klik hier voor het artikel over arbeidsfactor en cosinus φ

Aandachtspunten

De THD is een belangrijke parameter in de specificatie van een armatuur. Om meer inzicht te krijgen in de opbouw van deze harmonischen is het verstandig niet alleen op de THD specificatie van de leverancier af te gaan. Bij lage vermogens en indien de locatie een verhoogt risico heeft op net vervuiling, is het te adviseren de THD op de locatie te bepalen.

Ing. Dick van Riel; EMB Consultancy (www.emb-consultancy.nl)

Relevantie van de Cosinus φ.

Is de cosinus φ nog wel relevant voor elektronica? Bij ledverlichting wordt de cosinus φ nog steeds gevraagd. Is dat wel zinvol of bedoeld men eigenlijk de arbeidsfactor? De cosinus φ beschrijft de fase verschuiving tussen een stroom en een spanning. Als de stroom en spanning in fase zijn dan is de cosinus φ 1 en wanneer ze 90 graden verschoven zijn is de cosinus φ 0. Meer zegt het niet.

De arbeidsfactor zegt iets over de hoeveelheid energie die in wordt gebruikt. Hoe moeten we dat zien? Als de stroom een stukje in fase verschoven is wordt gedurende een deel van de tijd energie opgenomen uit het net maar ook wordt er gedurende de tijd dat de spanning negatief is en de stroom positief (en vice versa) vermogen terug gevoed in het net. Dat betekend in werkelijkheid dat vermogen wordt opgenomen en vervolgens weer terug gevoed in het net. Die energie wordt niet omgezet in “arbeid”.

Als de spanning en stroom beide volledig sinus vormig zijn is de cosinus φ gelijk aan de arbeidsfactor.

In het figuur onder zien we een stroom en spanning die in fase zijn verschoven en zien we ook hoe het vermogen dan verloopt. Een deel is positief vermogen. Er is ook een deel negatief vermogen, dat wordt terug gevoed in het net.

Even in formules:

P = U x I => uitgedrukt in W

Die kennen we allemaal; ofwel vermogen is spanning vermenigvuldigd met de stroom.

Deze formule geldt in het geval we te maken hebben met een zuiver ohmse (zuivere weerstand) belasting. Zodra we met een inductieve of capacitieve belasting te maken hebben (en natuurlijk een wisselspanning) dan hebben gaat deze formule niet meer op. In dat geval krijgen komt uit de formule het schijnbare vermogen. Het vermogen dat opgenomen lijkt te worden.

Ps = U x I => uitgedrukt in VA

Ps = Schijnbaar vermogen in VA
U = Spanning in V
I = Stroom in A

Het effectieve vermogen; het werkelijk in arbeid omgezette vermogen berekenen we met de formule:

Peff = U x I x cos φ

Peff = Effectief vermogen
U = Spanning in V
I = Stroom in A
φ= fase verschuiving tussen spanning en stroom in graden

Dit is het vermogen wat afgerekend wordt aan de energiemaatschappij.

Als we met elektronica te maken hebben dan geldt deze formule niet meer. Dan hebben we niet meer te maken met sinusvormige stromen. De arbeidsfactor is dan niet langer gelijk aan de cosinus φ. In formule vorm is dat:

λ =Peff /Ps

λ = Arbeidsfactor
Peff = Effectief vermogen
Ps = Schijnbaar vermogen

In het geval dat we te maken hebben met zuiver sinus vormige spanning en stroom betekend dit:

λ = cos φ

In onderstaande figuur een voorbeeld. De spanning is sinusvormig maar de stroom heeft volledig ander verloop. Dit is een serieuze vervorming. Die vervorming kunnen wordt uitgedrukt in de harmonische vervorming.

 

In stroom zitten hogere frequenties, dat wil zeggen frequenties met een veelvoud van de basisfrequentie (50 Hz). Samen bepalen ze de vorm van de stroom. Het blijkt dat de stroom is samengesteld uit een stroom met de basis frequentie (50 Hz) en stromen met de hogere harmonische frequenties, elk met z’n eigen sterkte. Middels een fourier analyse kan bepaald worden wat de stroom is van de harmonischen. Daarmee kan dan de totale harmonische vervorming worden berekend. De THD of wel de “total harmonic distortion”.

Verder kunnen we ook een faseverschuiving vinden. De faseverschuiving wordt dan displacement factor genoemd. Deze factor is vergelijkbaar met wat we cosinus φ noemen bij sinusvormige stromen. In formules ziet dat er dan als volgt uit.

λ = Kdisplacement x Kdistortion

Kdistortion = 1/√(1+THD2)

anders gezegd:

λ = cos φ / √(1+THD2)

λ = Arbeidsfactor
φ= fase verschuiving tussen spanning en stroom in graden
THD = Totale harmonische vervorming

In de praktijk wordt nog steeds veel verwezen naar de cosinus φ. Dit is in geval van led niet logisch en is ook niet relevant. De arbeidsfactor is relevant en bepalend voor de het werkelijk opgenomen vermogen. Deze factor is ook onderwerp van de wettelijke eisen waar producten aan moeten voldoen.

Op de drivers zal ook enkel een arbeidsfactor vermeld zijn. De cosinus φ is enkel terug te vinden op de conventionele voorschakelapparaten en transformatoren. Na de introductie van elektronische voorschakeltoestellen is de cosinus φ al verlaten als aanduiding.

Hoe zit het volgens wettelijke eisen?

Op dit onderwerp zijn voor producten (het armatuur) twee richtlijnen van toepassen. Let op dit wordt een richtlijn genoemd maar is een wettelijke eis en fabrikanten zijn verplicht om aan die eisen te voldoen als ze producten willen leveren.

  • EMC richtlijn
  • ErP richtlijn
  • In sommige gevallen geld de RED richtlijn

Om aan de EMC richtlijn te voldoen wordt de norm EN 61000-3-2 gebruikt. Deze norm vereist een arbeidsfactor van 0,9 voor armaturen met een vermogen > 25 W. Ook zijn in die norm eisen gesteld aan de specifieke harmonischen.

Voor vermogens onder de 25 W kent de EMC richtlijn geen norm. Echter de ErP richtlijn kent daar weer wel eisen. De eisen zijn daar:

  • ≤ 2 W: Geen eisen
  • > 2 W en ≤ 5 W: λ ≥ 0,4
  • > 5 en < 25 W: λ ≥ 0,5
  • ≥ 25 W: λ ≥ 0,9

Wat nu voorschrijven?

  1. Eisen dat men aan zowel de EMC als ErP richtlijn moet voldoen is principieel overbodig. De fabrikant dient zich aan de wet te houden. Het kan de fabrikant nogmaals op zijn verantwoordelijkheden wijzen. Die reden is voldoende om de eis toch te vermelden.
  2. Voor grote projecten waar veel armaturen worden gebruikt op 1 groep, is het aan te raden om een arbeidsfactor van tenminste 0,9 te eisen. Dit om de aansluitwaarde voor de energieleverancier garanderen. Volgens norm moeten ze namelijk een arbeidsfactor van 0,8 na streven. Vaak wordt dit ook in de leveringsvoorwaarden van de energieleverancier vermeld als minimum.

Het vermelden van de normen is in dit geval minder relevant. Het vermelden van normen brengt namelijk het risico met zich mee dat er oude, inmiddels achterhaalde, normen vermeld zijn. Ook kan de fabrikant dan het idee krijgen dat hij voor dat bestek niet aan de nieuwste stand van de techniek hoeft te voldoen.

Door Jacob Nuesink, ten behoeve van het Kennis team OVLNL

Waarom 350 mA vereisen?

Met regelmaat krijgen we de vragen over een maximale stroom die wordt geëist door opdrachtgevers. Het gaat dan om 350 mA die maximaal door de ledmodule zou mogen. Is dit wel de juiste weg?

Temperatuur

Tijdens de introductie van led voor algemene verlichtingsdoeleinden werd, om zoveel mogelijk licht uit de led te krijgen, de stroom door de leds opgevoerd. Dit heeft inderdaad als gevolg dat er meer licht uit komt maar ook zorgt dat ervoor dat de led veel warmer wordt. Op zich kunnen we dat weer koelen. We hebben echter te maken met een weerstand in de warmte overdracht van de halfgeleider naar het huis. Die zorgt ervoor dat er een bepaald temperatuursverschil zal ontstaan tussen de halgeleider en de buitenkant van de halfgeleider.

Afhankelijk van het vermogen dat we in de led stoppen en het verlies dat dien ten gevolge in warmte moet worden afgevoerd is aan een maximum verbonden. Zolang de temperatuur in de led niet boven een bepaalde waarde uitkomt zal dat nog steeds goed gaan.

Het opvoeren van het vermogen en daarmee de temperatuur heeft ook een belangrijk nadelig effect en dat is dat de te verwachten levensduur achteruit gaat. Dat effect kan tot een flinke reductie van de levensduur leiden.

Rendement

De verdere ontwikkeling van de led heeft inmiddels geleid tot een aantal belangrijke effecten. Het redement van de led is in de loop der jaren enorm verbeterd wat tot gevolg heeft dat er minder energie verloren gaat en daarmee in licht ipv warmte wordt omgezet. Ook zijn de technieken voor de warmteafvoer van de halfgeleider enorm verbeterd wat inhoud dat de warmte weerstand van de led naar buiten is verminderd.

De stroom is bepalend? In principe zegt de stroom niet zo heel veel. Als we kijken naar een module zitten daar meerdere leds op. Soms zit in 1 led package ook al meerdere leds. De stroom die wordt opgegeven voor de module is dus niet noodzakelijkerwijs de stroom door de individuele leds.

Het is veel belangrijker om te weten wat de temperatuur van de led is. Hoe kouder de led blijft hoe langer de te verwachten levensduur zal zijn. Het js daarom beter om een levensduur te specificeren in de vorm van de L en F waarde. Belangrijk is wel dat wordt vastgesteld of die dan een relatie hebben tot de module in het armatuur. De waarde moet dus geverifieerd zijn in de toepassing.

Parameters

Hoe zijn deze parameters opgebouwd:

Het afnemen van het licht, of eigenlijk de hoeveelheid licht die na bepaalde tijd nog over is, noemen we het lumenbehoud. Dit wordt uitgedrukt in een parameter aangeduid als Lx. Dit kan bijvoorbeeld zijn L90 of L80 etc. Het getal zegt dat er na de aangegeven tijd nog 90 % (L90) van de initiële lumen-opbrengst over is. Daar hoort dan wel de tijd bij vermeld te worden.

Dit is echter maar één deel van de parameter. Het tweede deel gaat over de uitval; ook niet geheel onbelangrijk.
De tweede parameter, is de Fx waar de x bijvoorbeeld 10 is. Deze parameter geeft aan hoeveel ledmodules dit lumenbehoud niet halen. Bij 10 is dat 10%. Het kan bijvoorbeeld zijn dat de module geen licht meer geeft maar het kan ook zijn dat er nog wel licht uitkomt maar dat het een stuk lager is dan de waarde die het volgens de L-waarde zou moeten zijn.

Deze parameter kan ook gesplitst worden. In specifieke gevallen wordt een percentage voor uitval (C) aangegeven en een percentage voor daling van de lichtopbrengst (B) beneden de gespecificeerde lichtopbrengst.

Als de B is aangegeven geeft dat aan dat een percentage van de armaturen de opgegeven L waarde niet zal halen. Stel de B=50 en de L=90, dan betekent dat dat 50% van de modules een lichtopbrengst van 90% niet zullen halen.

Indien de C-waarde is gespecificeerd is dat altijd bij L0 want de lumen-opbrengst is bij uitval 0. Een C-waarde van 10 betekent dat 10% van de modules een mogelijke lichtopbrengst van 0 lumen heeft.

Een regelmatig voorkomende waarde voor openbare verlichting is bijvoorbeeld L80F10=100.000 ofwel na 100.000 uur hebben we 80% van de licht opbrengst over en zal 10% een lagere licht opbrengst hebben of uitgevallen zijn.

Het specificeren van de stroom door de module of led is derhalve geen effectieve methode om een een garantie te hebben van de levensduur. De specificatie van de L en F waarde zijn effectief mits wel duidelijk vast gesteld in combinatie met de armatuur. Bedenk wel dat deze waarde een module specificatie is.

Jacob Nuesink, voor netwerk Kennis, OVLNL