Netvervuiling zorgt voor kwaliteitsdaling van de elektriciteitsvoorziening

Netvervuiling zorgt voor kwaliteitsdaling van de elektriciteitsvoorziening Auteur: ir M. van der Starre, ISSO Gevaar van nieuwe lichtbronnen wordt onderschat Een hoger energiegebruik, sterke warmteontwikkeling en storingen in het elektriciteitsnet of in apparaten die op het net zijn aangesloten. Het zijn stuk voor stuk problemen die nu, maar zeker in de komende jaren, vaker zullen optreden door een afnemende ‘power quality’. Tijd dus om de noodklok te luiden en aandacht te vragen voor de veroorzakers van deze afnemende power quality. Vooral de vakman zal nieuwe kennis in huis moeten halen om de signalen te herkennen en installaties te vrijwaren van problemen met power quality. De belangrijkste verlichtingstrend in het eerste decennium van deze eeuw is de zoektocht naar steeds energiezuiniger lichtbronnen. De ‘gewone’ gloeilamp van de voorbije eeuw verspilt energie, zo realiseert iedereen zich inmiddels, dus zoeken we alternatieven. De spaarlamp deed al in de 20ste eeuw zijn intrede, maar deze bleek slechts het startschot van de zoektocht. ‘Meer en beter licht voor minder energie’ was en is het motto dat als stuwende kracht leidde naar nieuwe type verlichtingsbronnen. Het resultaat is dat we nu een zeer breed assortiment verlichtingtypes hebben, met sterk verschillende eigenschappen, waardoor het maken van een keuze lastiger wordt. Soms zo moeilijk dat velen juist weer vasthouden aan de ‘vertrouwde’ lichtbronnen of juist worden verleid door de leverancier die het beste inspeelt op modetrends of de meest veelbelovende reclame maakt. Waar de kopers - consumenten én vakmensen - niet of te weinig naar kijken zijn de technische specificaties van al die nieuwe lampen. Terwijl juist die technische specificaties zeer bepalend zijn voor het besparen van energie en het voorkomen van storingen. Technische eigenschappen Elk type lamp heeft zijn eigen karakteristieken. Zaken als kleurtemperatuur, levensduur, efficiency en prijs zijn meestal bekend of staan op de verpakking. Maar dat geldt niet voor technische details als Power Factor (PF) en Harmonic Distortion (HD). Terwijl juist deze zaken erg belangrijk zijn bij het ontwerp van de installatie en voor de netkwaliteit, de power quality (PQ). Vooral vakmensen zouden vaker stil moeten staan bij de invloed van verlichtingsystemen op de power quality in woningen en gebouwen en bij openbare verlichting. Het is een feit dat diverse nieuwe lichtbronnen specifieke problemen veroorzaken waarvoor in veel gevallen meerdere oplossingsrichtingen zijn. De noodzaak om nieuwe verlichtingsbronnen te gaan gebruiken ontstaat door nieuwe wetgeving die bepaalt dat, vanwege het lage rendement van de klassieke gloeilampen, dit product binnen drie jaar uit de Europese winkelrekken moet verdwijnen. Een vergelijking van het lichtrendement en de levensduur van veelgebruikte lichtbronnen staat weergegeven in tabel 1. Zowel de CFL als de TL-verlichting valt onder de groep fluorescentieverlichting. Dit type verlichting werkt met een elektronisch voorschakelapparaat (VSA) die soms extern is geplaatst. Deze wordt vooral in de utiliteit gebruikt. Maar er is ook een groep lampen die beschikt over een geïntegreerde VSA. Meestal worden deze in huishoudelijke toepassingen gebruikt. De meeste mensen kennen deze lichtbronnen onder de naam spaarlamp. In de Europese Ecodesignverodening gebruikt men de term spaarlamp voor alle huishoudelijke, matte lampen met een hoge energie efficiency (lampen met energielabel A en B). Dus ook led-lampen vallen daar onder.

Lamptype Gloeilamp Halogeenlamp CFL Eigenschap 6-15 lm/W 10-25 lm/W 20-60 lm/W Lichtrendement Levensduur

1000 h

2000 - 5000h

5000-

Led

Metaalhalide

10-60 lm/W

40-60 lm/W

25000-

5000 - 9000h

20000h 50000h Tabel 1. Vergelijking van een tweetal eigenschappen van diverse type lichtbronnen. Bepaling van het rendement Het rendement van spaarlampen en led-lampen is onmiskenbaar hoger in vergelijking tot gloeilampen. Maar binnen het assortiment spaar- en led-lampen zijn er wel flinke verschillen in rendement. Zo is bijvoorbeeld het rendement van led-lampen met een ‘warmere’ kleurtemperatuur in het algemeen lager dan ‘koude’ leds. Voor de beoordeling van de efficiency van een verlichtingsinstallatie kijkt men vaak alleen naar de lumen/Wattverhouding. Maar in praktijk is het belangrijker om te kijken of de juiste hoeveelheid licht op de juiste plaats terecht komt. In dat geval speelt ook het armatuur en de lichtverdeling een belangrijk rol. Bepaalt men het rendement vanuit de lumen/Watt (l/W)-verhouding dan is dit voor lampen die - vanuit het net gezien - een zuivere weerstand zijn (met een zogeheten resistieve belasting, zoals gloeilampen en halogeenlampen) een correcte benadering. Ook gaat dit goed bij andere lampen met een ‘goed’ voorschakelapparaat (VSA), waarvan het gedrag een resistieve belasting benadert. Maar vooral de nieuwe generatie lampen, zowel leds als CFL, zijn soms verkrijgbaar met kwalitatief veel minder VSA (bij led-lampen vaak ook ‘driver’ genoemd) die zowel los als geïntegreerd aan de lamp is gekoppeld. Vooral bij lampen met een geïntegreerd VSA is het rendement niet zo eenvoudig vanuit de l/W-verhouding te bepalen. Dit komt doordat een dergelijk VSA nadelige bijverschijnselen kent die de efficiëntie van dergelijke lampen nadelig beïnvloedt. Bron van netvervuiling VSA’s oftewel drivers met een capacitieve (condensator), inductieve (spoel) en/of nietlineaire (elektronica) werking hebben een stroomafname die niet in fase en/of gelijkvormig is met de spanning. In dat geval is sprake van een Power Factor (PF) lager dan 1. Naast het ‘werkelijk’ opgenomen vermogen (W) is er dan ook sprake van het schijnbaar vermogen (S). Daarbij gaat het om stroom dat niet door de lamp wordt afgenomen, maar weer terug het net opgaat. Zo’n afwijking kan ontstaan door een faseverschuiving tussen stroom en spanning () of een stroomafname die niet sinusvormig is of een combinatie van beide verschijnselen. Als de stroomafname een andere vorm heeft dan de spanning veroorzaakt de niet lineaire belasting harmonische stromen in het net. Harmonische stromen zijn nutteloze stromen op veelvouden van de 50 Hz netfrequentie. In al deze gevallen spreekt men van netvervuiling. Het is van belang dat apparaten die op het publieke net zijn aangesloten de netvervuiling zoveel mogelijk beperken. Netvervuiling veroorzaakt veel negatieve effecten zoals extra energiegebruik, warmteontwikkeling en storingen. De Power Factor is de verhouding tussen het werkelijk opgenomen vermogen (P) en het schijnbaar vermogen (S), oftwel PF = P/S, waarbij S = URMS x IRMS. De PF is altijd een getal tussen 0 en 1. Een faseverschuiving veroorzaakt een kleinere PF, bekend als cos φ (Displacement Power Factor). In het ideale geval bedraagt de cos φ van een verlichtingsbron één. Het vermogen dat niet opgenomen wordt, noemt men blindvermogen (Q). Bij lineaire belastingen geldt Q = S x sin φ. Power Factor en cos φ De spanning U, in Volt (V), aangeboden aan een verlichtingsapparaat, heeft normaal een sinusvorm. Bij een resistieve belasting zal de stroom I, in Ampére (A), opgenomen door een apparaat, de spanning volledig volgen. We spreken dan van een lineaire belasting zonder faseverschuiving (cos φ =1). Zodra de afgenomen stroom wel sinusvormig is maar niet in fase met de spanning (zoals bij motoren en klassieke TL-verlichting), spreken we van een lineaire belasting met een faseverschuiving. De fasehoek tussen de spanning en de afgenomen stroom is Phi (φ) (zie figuur 1). Als men de effectieve- of RMS-stroom (Root Mean Square) meet van klassieke TL-verlichting met een lamp van 36W, komt men makkelijk aan 0,33 Ampère. 230V x 0,33A = 76VA. De lamp vraagt dus dubbel zoveel stroom als verwacht. Een deel van de stroom wordt echter niet opgenomen, maar gaat weer terug het elektriciteitsnet op (het reactieve deel van de stroom). Het actief opgenomen

vermogen (36W) is dan kleiner dan het schijnbaar vermogen S = URMS x IRMS (76VA). De klant betaalt dan wel alleen voor het werkelijk opgenomen vermogen (en een industriële klant betaalt ook nog een opslag bij te lage cos φ), maar de gemeten, hogere RMS-stroom belast wel degelijk het net. Deze hogere RMS-stroom veroorzaakt hogere netverliezen. Dit betekent hogere kosten voor de netbeheerder. Bij grootschalig gebruik van led-verlichting met een slechte PF nemen deze netverliezen toe.

S

S

P (+)



P (+)



U I

I U

Q (-)

Figuur 1. Verklaring faseverschuiving φ, actief of Watt vermogen P, reactief of blindvermogen Q en het werkelijk of schijnbaar vermogen S Power Factor en harmonischen De Power Factor (PF) is niet alleen afhankelijk van de cos φ. Als de stroom niet dezelfde vorm heeft als de sinusvormige spanning, spreken we van een niet-lineaire belasting. Deze gebruikt ook maar een deel van het opgewekte vermogen én veroorzaakt harmonische stromen in het net, op veelvouden van de 50 Hz netfrequentie. Harmonische stromen hebben geen nuttige inhoud maar belasten wel het net met een harmonische vervorming (THD). De THD, ofwel de totale harmonische vervorming, geeft een indicatie van de harmonische inhoud van de stroom of spanning en is dus een maat voor de vervorming van de spanning ten opzichte van de normale sinusvorm. Naast de THD, die een maat is voor de totale harmonische vervorming van de stroom of spanning, is de crestfactor een maat voor de verhouding tussen de piekwaarde van de stroom of spanning en zijn RMS-waarde. Zo is de crestfactor van een sinusvormig signaal 1,4. Bij elektronische voorschakelapparatuur die de stroom vooral in de pieken van de spanning trekt, is de crestfactor hoger.

Figuur 2. Berekening van de crestfactor: voor sinusvormige signalen is deze 1,4. Bij het ontwerp van een installatie moet men rekening houden met de totale RMS-stroom die bij het schijnbaar vermogen (S) hoort. De PF van de lichtbronnen zou dan de 1 moeten benaderen.

Problemen met led-lampen Vooral de led-lampen die we thuis gebruiken, hebben, zo blijkt in de praktijk, een lage PF die tussen de 0,1 en 0,6 ligt. Een PF van 0,1 betekent dat het werkelijk vermogen (S) dat de installatie opneemt tien keer zo groot is als het Watt-vermogen (P) dat de lamp nodig heeft. Een dergelijk lage PF wordt vooral veroorzaakt door de aanwezigheid van harmonische stromen die niet voldoen aan de gestelde normen. Maar ook bij een gecoördineerde evaluatie van een pilot met openbare led-verlichting zijn tien led-armaturen van acht leveranciers doorgemeten. Uit die metingen blijkt dat er nogal wat verschil is in de elektrische prestaties. De gemeten PF-waarden bij deze armaturen liggen tussen de 0,8 en 0,97 met één uitschieter naar 0,53. Dit toont aan dat ook bij deze voorschakelapparaten nog een optimaliseringslag mogelijk en nodig is. Toch is de PF van deze led-armaturen voor openbare verlichting al duidelijk beter dan de led-lampen die voor huishoudelijk gebruik worden aangeboden. Dit komt omdat bij openbare verlichting meer ruimte is voor de inbouw van elektronische componenten (zoals harmonische filters) in het armatuur in vergelijking tot de ‘gloeilampvervangers’ in woningen. Te weinig richtlijnen Er zijn internationale normen (IEC-normen) die limieten stellen aan de mate waarin apparaten het net mogen vervuilen. Zo geven de Ecodesignverodening en de aansluitvoorwaarden van netbedrijven grens- en minimumwaarden voor bijvoorbeeld de PF van apparaten. Maar vaak gaat het dan om apparaten boven de 25 W. Voor led-lampen, die meestal met kleinere vermogens dan 25 W werken, zijn er (nog) geen wettelijke eisen. Internationaal bekijkt men nu wel of dit bij de aangekondigde herziening van de Ecodesignverordeningen moet worden ingebracht. Voor dit moment echter voldoen veel ledlampen voor huishoudelijke verlichting, in tegenstelling tot ‘conventionele’ spaarlampen, niet aan gestelde limieten. Figuur 3 toont een voorbeeld van de opgenomen stroom door een ‘goede’ en slechte’ led-lamp. Maar niet alleen de lampen, ook elektronische dimmers veroorzaken harmonischen, doordat een niet-sinusvormige stroom wordt opgenomen. Deze dimmers nemen namelijk niet tijdens de gehele sinus vermogen op, maar alleen gedurende een deel van de sinusspanning. Dit wordt veroorzaakt door de niet-lineaire elementen in deze dimmers, zogeheten thyristoren of transistoren. Zij regelen het vermogen door het afkappen van de spanning, wat leidt tot een niet-sinusvormige stroom en harmonischen (zie figuur 4).

Figuur 3. De vorm van de stroom bepaalt de harmonische inhoud; links de grafiek een ‘goede’ ledlamp en rechts van een ‘slechte’.

Thyristordimmer / “leading edge”

Transistordimmer / “trailing edge”

Figuur 4. Een schematische weergave van het afkappen van de spanning in elektronische dimmers, dat op twee manieren kan gebeuren. Beperken van netvervuiling Dat een goede kwaliteit van de spanning op het publieke elektriciteitsnet essentieel is voor de correcte werking van alle aangesloten apparaten staat buiten enige twijfel. Belangrijk hierbij is dat alle belastingen op het net zich zo resistief mogelijk gedragen (PF1). Bij uitgebreide verlichtingsinstallaties met klassieke voorschakelapparaten corrigeert men de PF (cos φ) met condensatoren in de zogenoemde duo-schakelingen. Maar het corrigeren van de PF die door harmonische vervorming wordt beïnvloed, is via compensatie van harmonische erg lastig. Preventie van het ontstaan van de harmonische vervorming bij de bron is veruit de beste oplossing. De netvervuiling zorgt, bij grootschalige toepassing, voor extra netverliezen maar kan ook problemen veroorzaken bij andere apparatuur dat op diezelfde vervuilde netspanning is aangesloten. Ook wordt de installatie, waarin deze verlichtingssystemen zijn opgenomen, onnodig zwaar belast. Het schijnbaar vermogen (S) dat de installatie moet verwerken is namelijk enkele malen groter dan het Watt-vermogen van alle apparaten (lampen) samen. Ontwerpers zullen hiermee rekening moeten houden. Het meeste risico treedt op bij ledlampen waar het voorschakelapparaat erg klein is. Dat betekent dat bij led-lampen waarin een VSA is ingebouwd of bij led-armaturen waarbij bijvoorbeeld de lampvoet de VSA bevat, de kans zeer groot is dat er harmonische stromen ontstaan (zie figuur 5). De fabrikant kan dit vermijden met filtering, maar dan zou het product groter en duurder worden. In het algemeen geldt dat led-lampen en –armaturen met een externe driver een betere PF hebben dan leds met ingebouwde driver. Dit leidt tot de conclusie dat vooral de huishoudelijke, compacte ledlampen van enkele Watts het meest te wantrouwen zijn.

Figuur 5. Stroomverloop van een ongefilterd voorschakelapparaat voor bijvoorbeeld een ledof spaarlamp. [In KADER] Cursus Power Quality ISSO heeft, in opdracht van OTIB, voor de installatiesector een speciale cursus Power Quality ontwikkeld. Hier worden de problemen die zich voordoen op het terrein van onder meer de verlichting uitgebreid behandeld, evenals de oplossingen die de installateur kan bieden. De cursus is vooral bedoeld voor bedrijven die zich op de markt van Power Quality (PQ) willen begeven. De cursusduur is 4 dagen (1 dag per week). Ieder dag bestaat uit een theoriedeel en een practicum. Met name de practicummodellen die verschillende oplossingmethodieken behandelen, bieden belangrijke informatie. Meer informatie vindt u op www.isso.nl. [einde kader]

1.4A I(L) 1.2A I(C=5.25µF) 1.0A I(L)+I(C=5.25µF) 0.8A 0.6A 0.4A 0.2A t  0.0A 15ms 20ms-0.2A -0.4A -0.6A -0.8A -1.0A -1.2A -1.4A U

5ms

10ms

i 

u 

350V 300V 250V 200V 150V 100V 50V 0V -50V0ms -100V -150V -200V -250V -300V -350V

Figuur 6. Blindvermogencompensatie bij TL-verlichting werkt. Hier is te zien dat de stroom uit het net maar nog maar een klein faseverschil heeft met de netspanning.