Stel je wilt je huidige lampenpark vervangen door ledverlichting. Wat betekent dat nu voor nulleiderstromen, harmonischen enzovoort? Onlangs kwamen er drie vragen op me af. Een antwoord was zo groot dat het niet meer paste op de FAQ en vandaar een artikeltje.

Update juli 2011 met een paar extra vragen.

Vragen

1. De cos φ blijft toch gelijk bij gebruik van één armatuur of 100 ?
2. Wat doet de waarde van de harmonische? Deze is bij het gebruik van één armatuur verhoudingsgewijs veel lager dan bij het gebruik van 100 armaturen?
3. Wat voor een effect heeft dit op de nul stromen. Hoe hoog wordt deze bij het gebruik van 100 armaturen?
4. Hoe tel ik de THD op van zeg 20 buizen?
5. Wat is de eis op de THD vanuit de normen (en welke normen)?
6. Hoe is de THD terug te bregen naar bijvoorbeeld 10 %? Waar moet ik aan denken?

Antwoorden

Ad 1: Klopt, echter beter is te spreken van een PowerFactor (PF) ipv een cos φ. Deze laatste geeft alleen aan het verschil in fase. Kijk naar het volgende voorbeeld.

In dit voorbeeld is de stroom een mooie sinus, en loopt 30 graden achter op de spanning. De cos φ = cos 30 = PF in dit geval.

Het volgende voorbeeld echter laat een ander resultaat zien.

Hierbij is er geen faseverschil tussen de stroom en de spanning, dus cos φ = 1 (want φ = o graden). Echter er is wel degelijk een blindstroom en er zijn hogere harmonischen. De stroomvorm is niet een mooie sinus, en deze is daarmee niet gelijkvormig aan de spannigsvorm en dus sub-optimaal om vermogen over te dragen, omdat er nu ook een gedeelte blindvermogen is. De PF rekent dit wel mee en zal kleiner zijn dan 1.
Sprekende over de PF van 1 bepaalde lamp, en nu schakelen we er 100 van naast elkaar, dan zal de PF van het geheel niet veranderen; het gaat over dezelfde lampen en dus iedere lamp heeft dezelfde PF.

Ad 2: de harmonischen worden opgeteld. Relatief tov het totaal blijft het allemaal in dezelfde verhouding.
Neem het volgende voorbeeld. Een lamp heeft een stroom die denkbeeldig zou kunnen worden voorgesteld als de som van drie stromen: de grondharmonische van 50 Hz met een bepaalde amplitude, stel 100 mA. Dan een 3e harmonische die 20 mA is van de grondharmonische en een 5e harmonische met een amplitude van 10 mA.

De resulterende stroom is I en heeft geen sinusvorm (wanneer de spanning een sinus is, dan leidt dit tot een PF < 1).
Als nu 100 lampen naast elkaar worden geplaatst, dan zal de stroom I dus het 100-voudige bedragen. Aangezien I de som is van de harmonischen, gaat iedere harmonische dus ook 100x zo groot worden in het totaal. Verhoudingsgewijs maakt het echter niets uit.

Echter let op het volgende: wanneer in een installatie nagenoeg geen harmonischen zijn (dus een lage Total Harmonic Distortion THD), en er wordt een lamp aangesloten met een THD die slechter is. Dan zal deze ene lamp geen effect hebben op een al aanwezig groot systeem. Meerdere lampen echter zullen wel een meetbaar verslechterend effect op de THD als systeem hebben. Dus kijkende naar een totaal systeem kan de THD wel verslechteren bij installatie van meerdere lampen (vermits de lamp zelf al een slechtere THD had dan dat van het systeem van te voren).

Ad 3: Het effect op de nulstromen is niet zomaar te zeggen. Dit hangt af van verschillende parameters:

• worden alle lampen wel mooi verdeeld over de drie fasen? Aannemende van wel, dan tellen de 3e (en de 6e en 9e en 12e en 15e etc) harmonischen bij elkaar op in de nulleider.

1. Het volgende spreadsheet geeft mogelijkheid zelf op de eerste tab de amplitudes van de hogere harmonischen op te geven en dan kan op de tweede tab het effect ervan gezien worden op de nulstroom. Dit is erg intuitief.
2. Let erop dat wanneer de 3e harmonische al een amplitude heeft van 33 % van de eerste, dat de stroom door de nulleider al net zo groot is als de stroom door de afzonderlijke fases.

• Het hangt af van welke andere verbruikers er op het net aanwezig zijn. Effecten kunnen versterken maar ook verzwakken, wat te maken heeft met of blindstroom inductief danwel capacitief is. Een voorbeeld isis hier gegeven met een inductieve en een capacitieve stroom, beiden even groot en beiden hetzelfde faseverschil. Het effect is een totaalstroom die weer in fase is met de spanning.

In een systeem wordt wel eens de nulleider dunner uitgevoerd dan de faseleiders. Dit scheelt in kosten echter eerst moet worden vastgesteld of de stroom door de nulleider bij een bepaald systeem dit wel toelaat. Als dit zo is met een bepaalde set van verbruikers op een bepaalde manier verdeeld over de drie fasen, en er wordt een renovatieproject gedaan waarbij bijvoorbeeld lampen vervangen worden door een ander type, dan moet geverifieerd worden of de stroom door de nulleider niet ontoelaatbaar hoger wordt.

Het vergelijken van de te vervangen armaturen door het armatuur dat nieuw ingezet dient te gaan worden kan een indicatie geven. Over het algemeen is het aanwezig zijn van vele harmonischen (en dus een hoge THD) bij vervangingen een punt van zorg. Een betere THD, en dan vooral op de 3e, 6e en verdere 3-vouden van harmonischen, geeft de meeste kans op succes. OliNo geeft de harmonische inhoud van de door haar gemeten armaturen en lampen.

Met dank aan Bas van Duijnhoven voor de bijdrage.

4. Hoe tel ik de THD op van zeg 20 buizen?

Stel ik heb een buis met een THD van 30 %. Dat wil zeggen dat het totaal aan harmonische content opgeteld en dat gerelateerd aan de grondharmonische (50 Hz component) 30 % is. De IEC 61000-3-2:A2:2009 spreekt van:

Pak ik eenzelfde soort buis (dus ook met deze 30 % en met dezelfde harmonische inhoud) dan zal de THD niet veranderen van het totaal. Dit omdat de afzonderlijke harmonischen allemaal wel bij elkaar opgeteld worden maar dit ten opzichte van de I_1 blijft dit gelijk, omdat de I_1 ook tweemaal zo groot geworden is.

Dus het plaatsen van 20 buizen parallel aan elkaar zal zorgen voor een 20-voudige I_1 component (de grondharmonische) en alle andere harmonischen worden ook bij elkaar geteld waardoor de THD in % hetzelfde blijft.

5. Wat is de eis op de THD vanuit de normen (en welke normen)?

De 61000-3-2:2006 geeft de eisen aan per harmonische en niet voor de THD:

Er worden alleen maar oneven harmonischen genoemd. Als we nu uitgaan van de worst case waardes voor alle (oneven) harmonischen en dan de THD formule gebruiken in antwoord 4 dan kunnen we de worst case THD uitrekenen. Dit resultaat is afhankelijk van de power factor van de lamp die genomen wordt, zoals is te zien in de tabel; de limiet voor de 3e harmonische is afhankelijk van de power factor en is 30 * PF, wat neerkomt op minimaal 0 % (PF = 0) en maximaal 30 % (PF = 1).

Nu de waardes bij het uitrekenen:

PF	THDlimiet
0.1	18 %
0.3	20 %
0.5	23 %
0.7	27 %
0.8	30 %
0.9	32 %
1	35 %

Een powerfactor van 1 betekent dat de stroom perfect sinusvormig is en in fase is met de voedingsspanning en dan is THD = 0, alhoewel dan de limiet zou zeggen maximaal 35 %. Dus dat is geen relevante waarde.

Gaan we uit van een PF van 0.8 dan mag dus de THD worst case 30 % zijn.

Voor diegenen die zelf eea willen narekenen die kunnen dan deze spreadsheettabel met de THD limietberekeningen downloaden.

6. Hoe is de THD terug te bregen naar bijvoorbeeld 10 %? Waar moet ik aan denken?

Zoals de norm al aangeeft is 30 % al een toegestande waarde. Wil je nog lager dan moet je zorgen dat de inhoud van de harmonische nog kleiner is. Dat houdt normaliter in dat de stroomvorm zoveel mogelijk sinusvormig is (zoals de spanning die gebruikt wordt) en dat de stroomvorm geen pieken of sprongen laat zien in de vorm.

Er zijn voedingen die voor actieve power factor correctie zorgen die wellicht zo laag kunnen als 10 % echter dat is geen eenvoudige opgave. Het is ook niet nodig vanuit de norm bekeken.

Een andere mogelijkheid is het toepassen van een grote condensator als ontkoppeling tussen het net van 230 V en de voeding van de leds. De condensator kan gezien worden als een belasting voor het net die de stroom limiteert tot een maximale waarde. Een condensator alleen aangesloten op het net zorgt voor een mooie sinusvormige stroom (THD erg laag) maar wel een lage powerfactor van 0.1 bijvoorbeeld, omdat de stroom erg uit fase is (zie antwoord 1). Door nu achter de condensator (in serie ermee) een klein ledcircuit te maken kun je zorgen dat de stroom mooi sinusvormig blijft. Dan heb je dus een lamp met een erg lage powerfactor (0.1 – 0.2) waarbij de stroomvorm wel mooi sinusvormig is en dus de THD erg laag is. Voor grote bedrijven zal de lage PF niet acceptabel zijn omdat zij vanuit de stroomleverancier of het netbedrijf moeten zorgen voor een minimale PF.

Er is ook een vraag gekomen naar THD zo laag als 5 %. Het is de vraag waarom dit zo laag moet. De norm 61000-3-2:2006 geeft de eisen aan per harmonische ook voor de spanning die gebruikt mag worden om te testen. Alleen de spanning mag al 1.3  aan THD hebben. Dit is al erg laag. Als nu de stroom nog eens < 5 % THD moet hebben dan is dan bijna niet meer te realiseren.