Bronnen en oorzaken van een lage cosinus phi

Oorzaken en bronnen van een slechte vermogensfactor

In een elektrisch energie-systeem wordt de vermogensfactor gedefinieerd als het verhouding tussen werkelijk vermogen (gemeten in kilowatt, kW) en schijnbaar vermogen (gemeten in kilovolt-ampère, kVA). Een lage vermogensfactor geeft aan dat de elektrische belasting niet efficiënt gebruik maakt van het beschikbare elektrische vermogen. Deze inefficiëntie kan leiden tot verschillende gevolgen, zoals verhoogde elektriciteitskosten voor consumenten en afname van de algemene systeemefficiëntie. In dit artikel zullen we dieper ingaan op de primaire bronnen en oorzaken van een lage vermogensfactor binnen een elektrisch systeem.

De meest significante bijdrager aan een lage vermogensfactor is de aanwezigheid van inductieve belastingen. In een zuiver inductief circuit loopt de stroom 90 graden achter op de spanning. Dit grote fasehoekverschil resulteert in een vermogensfactor van nul, wat betekent dat er geen werkelijk vermogen effectief wordt verbruikt door de belasting; in plaats daarvan wordt energie alleen opgeslagen en vrijgegeven in het magnetische veld van de spoel zonder nuttig werk te verrichten. In circuits die zowel capacitaire als inductieve elementen bevatten, is de vermogensfactor niet nul. Echter, behalve in resonantie- of gestemde circuits waar de inductieve reactantie XL gelijk is aan de capacitaire reactantie XC, waardoor het circuit zich zuiver resistent gedraagt, blijft het fasehoekverschil θ tussen de stroom en de spanning bestaan. Dit faseverschil, veroorzaakt door de wisselwerking tussen capaciteit en inductie, heeft direct invloed op de grootte van de vermogensfactor, wat vaak leidt tot suboptimale vermogensverbruikscondities.

Oorzaken en bronnen van een lage vermogensfactor
Oorzaken van een lage vermogensfactor

Verschillende factoren dragen bij aan een lage vermogensfactor in elektrische systemen, zoals hieronder gedetailleerd:

Inductieve belastingen

Inductieve belastingen, waaronder elektrische motoren en transformatoren, zijn onder de belangrijkste boosdoeners. Deze belastingen verbruiken reactief vermogen uit het elektrische systeem, wat resulteert in een lage vermogensfactor. In inductieve circuits loopt de stroom achter op de spanning, wat een faseverschil creëert dat de component van reactief vermogen vergroot. De vermogensfactor van een inductieve belasting varieert aanzienlijk afhankelijk van de werkingstoestand:

• Volledige belasting: Meestal ligt de vermogensfactor (Pf) tussen 0,8 en 0,9.

• Kleine belasting: Het daalt naar een bereik van 0,2 tot 0,3.

• Geen belasting: De vermogensfactor kan nul naderen. Bij een pure spoelbelasting is de vermogensfactor exact nul, wat aangeeft dat er geen echt werk wordt verricht en dat energie alleen wordt opgeslagen en vrijgegeven in het magnetische veld.

Capacitaire belastingen

Capacitaire belastingen, zoals condensatoren, hebben het potentieel om de vermogensfactor te verbeteren door reactief vermogen op te wekken. Echter, als de capaciteit te hoog is, kan dit leiden tot overcompensatie, met als gevolg een voorspringende vermogensfactor. Net als bij pure inductieve belastingen, heeft ook een pure capacitaire belasting een vermogensfactor van nul, omdat de stroom 90 graden voorloopt op de spanning, en er geen netto werkelijk vermogen wordt overgedragen.

Harmonischen

Harmonischen zijn niet-lineaire vervormingen van de elektrische golfform die vaak voorkomen in systemen met elektronische belastingen, zoals computers, servers en andere digitale apparaten. Deze vervormingen veroorzaken een toename van reactief vermogen, wat op zijn beurt de algemene vermogensfactor verlaagt. De aanwezigheid van harmonischen verstoort de sinusvormige aard van de stroom en de spanning, wat leidt tot inefficiënties in het vermogensverbruik.

Magnetiseringsstroom

De belasting op een energie-systeem is niet constant. Tijdens periodes van lage belasting neemt de aangevoerde spanning vaak toe. Deze toename van de spanning leidt tot een stijging van de magnetiseringsstroom van inductieve apparatuur, zoals transformatoren en motoren. Als gevolg hiervan daalt de vermogensfactor, omdat er relatief meer reactief vermogen wordt verbruikt ten opzichte van werkelijk vermogen.

Ondermaatse bedrading

Ondermaatse bedrading, vooral in motorwindingen, kan aanzienlijke spanningdalingen veroorzaken. Deze spanningdalingen verhogen het reactieve vermogen in het systeem, waardoor de vermogensfactor daalt. Onvoldoende draadafmeting beperkt de stroomtoevoer, waardoor weerstandverliezen en verhoogde impedantie ontstaan, wat de prestatie van de vermogensfactor beïnvloedt.

Lange distributielijnen

Lange elektrische distributielijnen zijn een andere factor die bijdraagt aan een lage vermogensfactor. Wanneer elektriciteit over grote afstanden reist, veroorzaken weerstand en reactantie in de lijnen spanningdalingen. Deze spanningdalingen leiden tot een toename van reactief vermogen, wat de algemene vermogensfactor van het systeem verlaagt. Hoe langer de lijn, hoe meer deze effecten worden benadrukt.

Ongebalanceerde belastingen

Ongebalanceerde belastingen, waarbij de elektrische belasting ongelijkmatig verdeeld is over de fasen van een driefasensysteem, kunnen leiden tot een toename van de reactieve vermogenscomponent. Deze onevenredige verdeling leidt tot inefficiënties in het vermogensoverdracht, wat resulteert in een lagere vermogensfactor. Ongebalanceerde belastingen kunnen ook extra stress veroorzaken op elektrische apparatuur, wat potentiële vroegtijdige storingen kan veroorzaken.

Bronnen van een slechte vermogensfactor

De volgende zijn de belangrijkste bronnen van een lage vermogensfactor in elektrische systemen:

Elektrische apparatuur

• Distributietransformatoren: De vermogensfactor van een distributietransformator hangt af van het ontwerp, evenals het belastingsniveau. Over het algemeen heeft een onbelaste transformator een zeer lage vermogensfactor vanwege de eisen van de magnetiseringsstroom.

• Verlichtingssystemen

• Gloeilampen: Deze hebben doorgaans een vermogensfactor van ongeveer 50%.

• Kwikdampverlichting: Hun vermogensfactor ligt meestal tussen 40% en 60%.

• Motoren

• Inductiemotoren: De vermogensfactor van inductiemotoren kan sterk variëren, van 30% bij lichte belastingen tot 90% bij volle belasting.

• Synchrone motoren: Wanneer synchrone motoren onder-gespannen werken, tonen ze een zeer lage vermogensfactor.

• Specialisatie-apparatuur

• Lassentransformatoren: Deze hebben doorgaans een vermogensfactor van ongeveer 60%.

• Industriële verwarmingsovens: Hun werking leidt vaak tot een relatief lage vermogensfactor vanwege de aard van de elektrische belastingen.

• Solenoiden en dempers: Deze inductieve componenten dragen bij aan een slechte prestatie van de vermogensfactor.

• Booglampen: Net als bij andere elektrische verlichtingsbronnen, kunnen booglampen een lage vermogensfactor hebben.

Systeem-niveaufouten

• Onder-gespannen synchrone motoren: Wanneer synchrone motoren belast werken met ontoereikende opwinding, consumeren ze excessief reactief vermogen, wat leidt tot een lage vermogensfactor.

• Onvoldoende bedradingspraktijken: Het niet gebruiken van de aangeduide draaddikte in motorwindingen kan leiden tot problemen met de vermogensfactor, zoals eerder besproken.

• Mechanische problemen in motoren: Beschadigde lagers in motoren kunnen mechanische spanning veroorzaken, wat op zijn beurt de elektrische eigenschappen van de motor beïnvloedt, mogelijk leidend tot een afname van de vermogensfactor.

Het aanpakken van een lage vermogensfactor is cruciaal, aangezien het verschillende nadelen heeft, waaronder verhoogde energieverliezen, hogere elektriciteitsrekeningen en verminderde systeemcapaciteit. Om de vermogensfactor te verbeteren, kunnen verschillende oplossingen worden toegepast. Deze omvatten het installeren van vermogensfactorcorrectieapparatuur, zoals condensatoren, het upgraden van elektrische apparatuur om verliezen te minimaliseren, en het optimaliseren van systeemontwerp om het verbruik van reactief vermogen te verminderen. Een grondig begrip van de oorzaken en bronnen van een lage vermogensfactor is essentieel voor het identificeren van gebieden voor verbetering en het waarborgen van de efficiënte en kosteneffectieve werking van elektrische systemen.