Cosinus phi, blind vermogen, schijnbaar vermogen: een korte uitleg

In de post van/over de Voltcraft Energy Monitor komt al wat ‘high tech’ taal naar voren, zoals cosinus phi, fase-verschuiving, schijnbaar vermogen. Kreten die een persoon zonder kennis van elektronica weinig zal zeggen. Daarom een korte uitleg over deze kreten.

Een elektro-motor (als voorbeeld in deze context) is in feite niets meer dan een pakket magneten, een spoel en een as. De as brengt de kracht over naar bijvoorbeeld de wielen van een auto. Om deze krachten tot stand te brengen is er voor een elektromotor een wisselspanning nodig. Want zonder wisselspanning, is er geen wisselend magnetisch veld, en blijft het anker (het pakket van spoelen/wikkelingen) gewoon stil staan.

Als er dus een wisselspanning wordt ingeschakeld, zal de motor draaien. Hierbij zijn er twee vermogens die simultaan optreden, namelijk het werkelijk vermogen (het vermogen wat hier op de as wordt gezet) en het blind vermogen (om het magnetisme in stand te houden).

Hierbij ontstaan dus ook 2 stromen: een stroom die zuiver ohms is (zeg maar ‘watt-stroom’ Iw) voor het werkelijk vermogen, en een blind-stroom (Ib). Als je ze zou tekenen zouden deze 2 stromen haaks op elkaar komen te staan (onder een hoek van bijvoorbeeld 90 graden). Door de stromen als vectoren op te tellen, is de resultante te berekenen en geeft de schijnbare stroom aan (Is)

In een vectordiagram getekend (voor een elektromotor):

Als je nevenstaand vectordiagram bekijkt zijn er nieuwe formules af te leiden:

Pwerkelijk = P = U * I * cos Φ

Pblind = Q = U * I * sin Φ

Pschijnbaar = S = U * I

 

P werkelijk wordt in Watt uitgedrukt, Pschijnbaar in VA (Volt-Ampère), Pblind in var (Volt-Ampère-reactief).

Als de fasehoek bekend is, zijn er ook relaties tussen de vermogens te leggen: dit heet de arbeidsfactor.

De arbeidsfactor is de verhouding van het werkelijke vermogen en schijnbaar vermogen (en deze komt weer overeen met de cosinus Φ.

Wat doet dat in de praktijk?

Voor particulieren is het vooral niet zo heel interessant wat de effecten zijn. Maar wel als mensen gaan meten (bijvoorbeeld naar aanleiding van de eerste stap in minder energieverbruik: het verbruik van apparaten in kaart brengen). Door de fase-verschuiving (in schakelende voedingen, televisie, wasmachines, droger, verlichting (gloeilamp is zuiver ohms, maar spaarlampen, TL’s veelal niet)) is het simpel optellen van gemeten vermogens niet zonder meer mogelijk.

Het belangrijkste voor groot-verbruikers zoals bedrijven is dat zij wel worden doorbelast op o.a. de blind-vermogens. Daarom is het voor hen zeker essentieel hier mee te rekenen en hun energiehuishouding op orde te krijgen en houden.  Stel dat de cosinus phi (arbeidsfactor) kleiner is dan 1, dan wordt de elektrische stroom groter dan noodzakelijk is. Dit werkt door in grote transportverliezen op het hoogspanningsnet (10kV en hoger) en ook lichtnet (230V). Compenseren kan dan weer door lokaal op het bedrijventerrein worden uitgevoerd door het plaatsen van grote condensatorbanken.

2 thoughts on “Cosinus phi, blind vermogen, schijnbaar vermogen: een korte uitleg”

  1. Ik zit een beetje in mijn maag met je cos φ verhaal.
    In principe is die afgeleid van de integraal over de metingen van van spanning en stroom over een complete fase, of een bepaalde tijd. Hoe hoger je sample rate voor spanning en stroom des te beter de meting. En tijdens de meting zou je eigenlijk moeten integreren om daar een gemiddelde van te bepalen.
    Bij capacitieve ladingen loopt de stroom weer terug naar het net. Met inductieve lasten ook. Uitsluitend bij deze lasten kun dan ook spreken over een fase verschuiving en dus de cosinus φ. Het hele fase verhaal binnen een bedrijf of huishouden verstuur ik dan ook naar het land van de sprookjes. Ja, vroeger toen we uitsluitend ohms en inductief het net belasten, was dat een begrip.

    De praktijk is compleet anders. Op een ventilator na word alles in ons huishouden zo’n beetje eerst gelijk gericht om vervolgens met minder koper en met minder blik te worden omgezet naar de gewenste spanning. Materiaal en kosten besparing noem ik dat.
    Daaronder vallen LED lampen, spaarlampen, geschakelde voedingen, computers, TV’s en ga zo maar door.
    Het gevolg daarvan is dat de door de gelijkrichter alleen spanning loopt als de netspanning hoger is dan de interne condensator spanning. Op mijn netspanning zie ik dan ook een sinus richting blokgolf die iets oploopt als de condensatoren vol zijn.

    Maar vind het even heel interessant om verschillende meters te vergelijken.
    En vervolgens wat doet de meter in mijn meterkast?? Is die controleerbaar?

    Ik heb hier 3 kWh meters. Een Tscibo, mijn faforiet want die meet tot tot op de milli ampere. En meet dus ook de kleinste sluip verbruiker. En nog 2 miskopen die ik weer uit de kast heb getrokken voor dit experiment. De HQ energy meter gebruikt gebruikt voor de meting volgens de Tjibbo 0,358W. En een Brennenstuhl, verbruikt 0,845W… op jaarbasis?
    De meters gestapeld en de tschibo geeft braaf 1,146W aan voor de ander meters.
    Eerst even een inductieve belasting. Een onbelaste fan motor.
    Ik had het niet anders verwacht maar de meters zijn het uiteraard niet met elkaar eens: T:12,722W (moet je het verbruik van de ander meters nog van aftrekken), HQ 13W, B 13,51W. Frappant is dat slechts 10% van de energie word omgezet bij een belaste fan. Kunnen we nog een hoop besparen op ventileren 🙂

    Volgende test : de laptop. Een zware jongen met een geschakelde voeding van 250 gram, goed voor 130W. De metingen springen nu alle kanten heen! Tussen de 1W en 50W. De tschibo geeft vrij constant 25W. Opstarten van een 3D game kost 30W extra!. En hij haalt de framerate nog niet eens bij 1600×1200 pixels.
    Maar nu ben ik toch tevreden met mijn energie meting. Ze zitten allemaal rond de 55W. De Tchibo geeft het minste aan, terwijl hij ook nog ruim een watt aan de ander meters levert.

    In mijn meterkast meet ik momenteel 370 en 380W. Waarom zie ik daar geen komma’s of een gemiddelde van afgelopen tijd?
    Dus laptop uit. en hij moet 55W zakken. Hij zakt naar 330 en 320W. Dus dat komt wel aardig overeen met 55W.

  2. Toch valt er bij beide uitleg wel wat af te dingen. Het cos phi verhaal is eenvoudig uit te leggen als volgt: stel een schakelaar, een gelijkspanning en een weerstand. op het moment dat de schakelaar wordt gesloten loopt er stroom door de weerstand. We spreken nu dat spanning en stroom te meten zijn op het zelfde moment en de hoek tussen beiden 0 graden, dus Cos 1. Als nu de weerstand wordt vervangen door een spoel en wordt weer de schakelaar gesloten wordt er over de spoel spanning gemeten, maar de stroom introduceerd in de spoel een magnetisch veld. Dit veld geeft door een natuurkundige wet een elektrische stroom, echter deze stroom is tegengesteld aan de oorspronkelijke. Het resultaat in eerste aanleg is nul, dus nu wel spanning, maar geen stroom: Cos 0. Verwisselen we nu de spoel door een condensator en schakelen we weer de spanning op het circuit dan ontstaat er door het oplaadeffect van de condensator bijna een kortsluiting. Meten we de spanning over de spoel dan is de spanning een kort moment afwezig en de stroom maximaal: Cos 0, maar tegengesteld met de spoel. Hierdoor is verklaard dat een lage CosPhi (minder als 1) tgv te veel spoelen, denk aan motoren etc, verbeterd kan worden door condensatorbanken. De enegieleverancier wil betaald worden voor het geleverde vermogen U x I=P. Als spanning en stroom teveel uit fase lopen moet hij veel stroom leveren, maar krijgt onvoldoende betaald, vandaar de verplichte correctie!

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *