Arbeidsfactor
Electriciteit
TechTalk
De arbeidsfactor van een toestel geeft aan hoe doeltreffend het electriciteit kan gebruiken. De arbeidsfactor is enkel van toepassing bij wisselstroom. Toestellen die met gelijkspanning gevoed worden hebben altijd een maximale arbeidsfactor.

Bij netgevoede toestellen die op gelijkspanning werken moet de wisselspanning omgezet worden in gelijkspanning zonder dat de crest- en arbeidsfactor te slecht wordt. Hier staat uitgelegd hoe men de crest- en arbeidsfactor kan verbeteren. De crestfactor staat hier uitgelegd.

Bij wisselspanning kunnen bepaalde toestellen de electriciteit niet optimaal gebruiken. Het is alsof ze de wisselspanning niet goed kunnen verteren.

Verwarmingstoestellen zoals gloeilampen kunnen zowel gebruikt worden met wisselspanning als gelijkspanning, dit maakt geen veschil. Als er een spanning U aangelegd wordt, dan loopt er een stroom I en er wrdt een vermogen P ontwikkeld.

De wikkeling van een transformator of van een motor vertraagt de opbouw van de stroom bij het aanleggen van een spanning. Als de spanning stijgt, dan stijgt de stoom ook, maar met enige vertraging. Als de spanning vermindert, dan zakt ook de stroom, maar hier ook met een vertraging. De stroom loopt niet samen met de spanning, de faseverschuiving wordt aangegeven in graden.

Dit is goed zichtbaar op de grafiek hierboven, waarbij de stroom 90° naijlt op de spanning. Als de spanning U positief is, en de stroom I eveneens, dan is het ogenblikkelijk vermogen P ook positief, immers P = U·I. Als de spanning negatief is en de stroom positief, dan is het ogenblikkelijk vermogen negatief, en zo verder. Er loopt dus constant een vermogen van de generator naar de belasting en terug om het magnetisch veld op te bouwen en weer af te breken. Dit vermogen levert geen nuttig werk. Het vermogen vormt een curve met de dubbele netfrekwentie.


De arbeidsfactor gaat van 0 tot 1
0: geen vermogen opgenomen
1: maximaal vermogen opgenomen
In de meeste toepassingen loopt de stroom achter op de spanning, de belasting is inductief.


Een belasting kan zowel inductief als capacitief zijn
Een negatieve arbeidsfactor geeft aan dat het toestel omgekeerd gebruikt wordt. Dit is bijvoorbeeld het geval bij een alternator die en verbrandingsmotor aandrijft (verbrandingsmotor zonder brandstof).

  • Ohmse belasting
    De faseverschuiving is nul bij eenvoudige weerstanden. De stroom volgt direct de spanning. De verschuiving is 0°, het overgebracht vermogen is maximaal, aangeduid als cos φ = 1. Al het vermogen wordt door de belasting opgenomen.

  • Inductieve belasting
    In het uiterste geval van een transfo die onbelast werkt is de stroom maximaal als de spanning reeds nul is geworden. De stroom en de spanning staan in kwadratuur, de faseverschuiving is 90° en cos(90) = 0. Aangezien het vermogen het produkt is van de spanning en de stroom is het opgenomen vermogen nul. De stroom die door de wikkeling loopt wordt niet gebruikt.
Een korte samenvatting tot nu toe:
  • De spanning is vast en wordt door het electriciteitsnet aangeboden.
  • De stroom loopt door het toestel tengevolge van de aangelegde spanning
  • Bij wisselspanning kan er een faseverschil zijn tussen spanning en stroom, meestal loopt de stroom achter op de spanning.
  • De faserverschuiving wordt aangegeven door een hoek φ.
  • De arbeidsfactor wordt aangegeven door cosinus φ
  • Het vermogen dat opgenomen wordt is het produkt van de spanning en de stroom (aangegeven als watts): P = U × I
De stroom die door het net loopt, zelfs als die niet gebruikt wordt veroorzaakt verliezen in de leidingen. Een generator of transfo moet gebouwd worden voor de stroom die er door moet lopen, niet voor het vermogen dat overgebracht moet worden.

De wikkeling van een transfo is bijvoorbeeld berekend voor een stroom van 1A. Indien de transfo op 240V werkt, kan de transfo een lamp van 240W voeden.

Dezelfde transfo kan echtereen motor van slechts 165W voeden. Door de faseverschuiving kan de motor slechts een deel van het beschikbaar vermogen opnemen. De stroom is nochtans 1A bij een vermogen van 165W.

Enkele extra eenheden:

  • Het vermogen dat een transfo kan leveren is aangegeven in VA (Volt × Ampères). Het vermogen is beperkt door de stroom die de transfo kan leveren. Grote transfos worden door middel van een zekering beschermd. De zekering brandt door als de stroom overschreden wordt.
  • Het vermogen dat een toestel kan opnemen wordt aangegeven als W (Watt).
  • De verhouding tussen beide is W = VA × cosφ

De stroomvoerende kabels moeten voorzien worden voor een bepaalde stroom. Het zijn de draden van de alternator, de draden van de transformator, de kabels die de stroom naar de verbruiker brengen, enz. Men heeft er alle voordeel bij een zo hoog mogelijke arbeidsfactor te hebben. Indien de arbeidsfactor niet gecorrigeerd is, is die ongeveer 0.7: men moet kabels gebruiken die 1.5× dikker zijn dan wat strict noodzakelijk is.

Daarbij komt nog dat de electriciteitsmeters enkel het effektief verbruikt vermogen meten, niet de stroom. Grote verbruikers moeten een speciale meter gebruiken die ook rekening houdt met de arbeidsfactor. Grote verbruikers (die meestal een zeer slechte arbeidsfactor hebben) moeten maatregelen treffen om de arbeidsfactor te verbeteren, want ze moeten extra betalen als ze een ongunstige arbeidsfactor hebben.

Werking van de kW indicator
De indicator geeft het effektief opgenomen vermogen in kW. De indicator heeft twee ingangen, een spanningsingang en een stroomingang.

De meter wordt aangesloten op de 440V netspanning. Een interne weerstand verlaagt de spanning tot een correcte waarde voor de galvanometer. Dit gedeelte meet de spanning zoals een voltmeter met draaibaar meetspoeltje (spoeltje zichtbaar op foto 3)

De indicator wordt ook gevoed door de stroom via een externe stroomtransfo die de stroom reduceert volgens een factor 1000/5A (zie aanduiding op wijzerplaat). De stroom produceert het magnetisch veld in plaats van een permanente magneet.

De indicator werkt als analoge rekenmachine, waarbij de spanning met de stroom vermenigvuldigd wordt. Bij een normale galvanometer is de "stroom" = magnetisch veld vast en wordt door een magneet geleverd.

De aanwijzer meet het effektief opgenomen vermogen en houdt dus rekening met de verschuiving tussen spanning en stroom:

  • In geval van blindvermogen (faseverschuiving van 90°) geeft de galvanometer afwisselend een positieve en negatieve meting (het produkt is alternerend positief en negatief). De aanduiding verandert 120× per seconde van polariteit en de aanduider kan dit mechanisch niet volgen.
  • Als de generator een ohmse belasting voedt (faseverschuiving =0°) dan is de stroom positief als de spanning positief is, en negatief als de spanning negatief is: het produkt is dus altijd positief.
Dit systeem geeft een indicatie bij wisselspanning, zonder dat er diodes nodig zijn. Gebruikt men diodes (zowel op de spanningslijn als op de stroomlijn) dan geeft de aanduider het totaal vermogen aan in kVA

Een negatief vermogen geeft aan dat de generator vermogen uit het net opneemt (motorwerking).

Verbeteren van de arbeidsfactor

Er bestaan verschillende systemen om de arbeidsfactor te verbeteren. Een eenvoudig systeem is een condensator parallel op ieder motor. De motor is een inductieve belasting (stroom loopt achter op de spanning), en de condensator is een capacitieve belasting. Ieder motor moet zo'n condensator hebben. Dit systeem wordt tegenwoordig weinig toegepast bij motoren omdat de arbeidsfactor afhangt van de motorbelasting. De condensator die je bij bepaalde motoren aantreft dient om een draaiveld te produceren (monofasige asynchrone motoren).

Het systeem wordt echter veelvuldig toegepast in armaturen van TL verlichting (hier is de "belasting" constant). Deze condensatoren zijn verplicht van zodra het te leveren vermogen een bepaalde waarde overschrijdt (verlichting van kantoorgebouwen). Enkel de armaturen met een standaard ballast hebben een dergelijke condensator nodig.

In de industrie worden er groepen condensatoren gebruikt die voor een volledig bedrijf dienen. De arbeidsfactor wordt constant gemeten en er worden indien nodig condensatoren in- of uitgeschakeld.

Synchrone compensatoren zijn zeer effektief maar worden bijna niet meer gebruikt. Dit zijn vrijlopende alternatoren waarvan men de ankerspanning wijzigt om blindvermogen op te nemen of te leveren.

Dit lijkt allemaal te ingewikkeld?
Een eenvoudige tekening legt alles uit!

Om een installatie te beschermen worden er zekeringen gebruikt. De opwekker (alternator, transfos, hoogspanningsleidingen, enz) wordt beschermd, maar ook de verbruiker.

De zekering moet berekend zijn op het totaal vermogen (kVA) aangezien de zekering doorslaat bij het overschrijden van de stroom. De berekende waarde wordt met een veiligheidsfactor vermenigvuldigd naargelang de toepassing (motoren trekken meer stroom bij het aanlopen).

Vroeger was een zekering een fijne draad in ene behuizing. Bij een te hoge stroom brandde de draad door. Tegenwoordig gebruikt men een soort relais die de leiding onderbreekt bij overbelasting (automaat).

Links to relevant pages - Liens vers d'autres pages au contenu similaire - Links naar gelijkaardige pagina's