De power factor uitgelegd

Door mux op zaterdag 08 januari 2011 19:10 - Reacties (53)
Categorie: De power factor, Views: 26.911

Computervoedingen en adapters hebben allerlei eigenschappen; ze leveren een bepaald vermogen, hebben een bepaalde efficiŽntie en leveren een bepaalde stroom op de 12V-, 5V-, en 3.3V-lijnen. Een vaak onbegrepen en genegeerde eigenschap van voedingen, maar ook andere apparaten in huis, is de power factor. Dit blog gaat enkel en alleen over de power factor. Wat is het, hoe beÔnvloedt het jouw voeding en hoe beÔnvloedt het de samenleving, de aarde en het universum?

Index
  • Basisterminologie
    • Wisselspanning en -stroom
    • De sinus
    • Root mean square - RMS
  • Wat is de power factor?
    • Algemene betekenis van de power factor
    • Displacement power factor
    • Distortion power factor
    • Harmonische vervorming en THD
    • Regelgeving en juiste terminologie
  • Implicaties van de power factor
    • Voor de consument
    • Voor de energiemaatschappij
  • Power factor correction
    • Hoe werkt een PFC-eenheid?
    • Eigenschappen van PFC
    • Active en passive PFC
  • Conclusie
    • Bronnen
Basisterminologie


Wisselspanning en -stroom

Eerst moet ik even reÔtereren - dit is echt ontzettend belangrijk om in je oren te knopen - wat het verschil is tussen spanning en stroom en wat deze grootheden verbindt. Spanning meet je in volts, stroom in ampŤres. Spanning en stroom zijn doorgaans behoorlijk onafhankelijk; een IC in een stuk elektronica werkt op een constante spanning (bijvoorbeeld 3.3V) maar consumeert van tijd tot tijd heel sterk wisselende hoeveelheden stroom. Spanning en stroom onafhankelijk zijn redelijk nutteloos; ze doen niks nuttigs. Ze kunnen ook niks nuttigs doen, want het zijn eigenlijk maar wiskundige ideeŽn. Pas als je tegelijkertijd een spanning over en een stroom door hetzelfde component hebt gebeurt er wat, dan heb je namelijk vermogen te pakken:

P=UxI

waarbij P het symbool voor de grootheid vermogen is, U voor spanning en I voor stroom. Zoals gezegd, spanning en stroom zijn redelijk onafhankelijk. Zo ook de spanning en stroom die uit je stopcontact komen wandelen. Je stopcontact levert 230V wisselspanning op 50Hz (althans, als je dit blog in Nederland leest, en niet in een werkplaats met krachtstroom zit). Wisselspanning betekent strikt genomen dat de spanning op (eventueel een meervoud van) de gegeven frequentie - 50 keer per seconde dus - van teken wisselt. Het is echter ook een synoniem voor sinusoidale wisselspanning: de spanning heeft een sinusvorm en doorloopt elke seconde 50 keer een volledig [0-2pi]-interval van de sinusfunctie met RMS-waarde 230V, en daarin dus 100 keer van teken wisselt. Wait, what?

Sinus die getekend wordt
Fig. 1: Hallo, sinus. Long time no see.[2]

De sinus

Het is middelbare-schoolspul, maar ik haal het toch even op voor diegenen waarbij het is weggezakt. De sinus is een periodieke functie: elke zoveel eenheden geeft hij dezelfde waarden opnieuw. Hij is dus enkel uniek op een kort interval, en dat is het interval van 0 tot 360 graden of 0 tot 2*pi radialen (dit is equivalent, hangt slechts af van je definitie). Radialen zijn niet moeilijk: 2*pi radialen is hetzelfde als 360 graden, dus pi radialen is gelijk aan 180 graden en 1/2 pi radialen is 90 graden. Heel gewoon. De waarden van pi kun je visualiseren door je een cirkel met radius (straal) 1 om de oorsprong van een grafiek in te denken. Stel nu dat je een lijn hebt door de oorsprong onder een hoek h met de x-as. De sinusfunctie vertelt je de y-coordinaat van het snijpunt van de cirkel met deze lijn. Onder 0 graden is dat dus 0, onder 90 graden is dit dus 1, onder 270 graden -1, en zo verder. Elke 360 graden of 2*pi radialen gebeurt dit, zoals gezegd, weer opnieuw.

Waarden van de sinus op de eenheidscirkel
Fig. 2: Dit zijn de waarden van de sinus op de eenheidscirkel.[2]

Root mean square - RMS

De spanning op je stopcontact volgt dus deze sinusfunctie, maar dan met een RMS-waarde van 230V. Dit betekent niet dat de pieken en dalen een waarde hebben van 230V, neenee. De RMS-waarde (Root Mean Square) betekent - zonder de wiskundige definitie erbij te pakken - het volgende: stel, je hebt twee identieke weerstanden, over de ene staat een constante gelijkspanning, over de andere een wisselspanning. De RMS-waarde van de wisselspanning is nu hetzelfde als de gelijkspanningswaarde als je de verhouding tussen wissel- en gelijkspanning zů kiest dat door beide weerstanden hetzelfde vermogen wordt opgenomen. Bij de gelijkspanning is dit gemakkelijk: spanning is constant, weerstand is constant, dus stroom is constant en vermogen is constant. Alles constant, lekker makkelijk. Bij de wisselspanning is dit moeilijker: de spanning gaat telkens op en neer. Wanneer de spanning laag is, en dat is hij best een groot deel van de tijd, verstookt de weerstand minder vermogen dan de gelijkspanning. Op de pieken moet hij dus, om dit te compenseren, een hoger vermogen opnemen en dus een hogere spanning over zich heen krijgen. De RMS-waarde van een wisselspanning is dus altijd kleiner dan de piekwaarde. In het geval van een perfecte sinusvorm is deze verhouding de wortel van 2, dus:

http://tweakers.net/ext/f/fo971BOBf1Jfkt2UijFVmJNH/full.png

Voor een sinusoidaal vermogenssignaal. In het geval van ons 230V-netwerk is de piekwaarde dus ongeveer 325V, en volgt de spanning uit het stopcontact dus een sinusoidaal pad met amplitude 325V.

Wat is de power factor?

Algemene betekenis van de power factor

De stroom volgt niet persť een sinusoidaal pad. De stroom kan alles doen wat hij wil. Veel apparaten trekken een stroom die nergens op lijkt. De ene milliseconde veel, daarna weer weinig, dan weer iets ertussenin, je kent het verhaal. Vaak ook trekken apparaten eerst meer stroom uit het stopcontact dan ze meteen gebruiken, en pompen vervolgens een deel van die stroom weer terķg in het stroomnet. Alsof-die-stroom-niet-goed-genoeg-is-ofzo. Stank voor dank.

Wat is nu de power factor? De power factor vertelt je hoeveel de 'vorm' van de stroom lijkt op die sinus die de spanning volgt. Als de stroom net als de spanning een perfecte sinus is ťn hij overlapt de sinus perfect, dan heb je een power factor van 1.0 of 100%. Wanneer de stroom niet nul is maar een zodanige vorm heeft dat hij gemiddeld helemaal geen vermogen trekt (namelijk: als hij eerst wat stroom trekt, en vervolgens evenveel teruglevert) is de power factor 0. Maar meestal zit het er ergens tussenin. Het wordt nu eens tijd om uit te leggen wat nou het nķt is van de power factor.

De power factor is eigenlijk iets dat heel erg lijkt op mijn RMS-verhaal. Het vergelijkt twee gevallen: ťťn ideaal geval, en dan de realiteit. Hoe meer de realiteit op het ideale geval lijkt, hoe dichter je bij de 100% zit. Het is nu van belang dat ik wat vertel over iets dat je vaak in fysica terug zult vinden. Stel, je wilt gemiddeld een vermogen van 10W op een vaste gelijkspanning van 10V transporteren, en laten we dit transport door een draad met een weerstand van 1 ohm doen. Je stroomsterkte mag je periodiek variŽren door de tijd heen. Hoe wil je dat de stroom eruit ziet, gegeven dat je zo min mogelijk verliezen wilt veroorzaken? Laten we eens iets proberen: eerst laat je de helft van de tijd 2A lopen, en de andere helft van de tijd stop je de stroom in zijn geheel. Dit verhaal herhaalt zich de hele tijd; het is periodiek. Gemiddeld transplofteren we nu 10W, maar zowaar, de helft van de tijd staat de stroom uit en heb je dus geen verliezen! Hoeveel verlies genereer je nu gemiddeld? Nou, de helft van de tijd loopt er 2A door een draad van 1 ohm, dat betekent dus een verlies van I^2*R=2^2*1=4W, maar de andere helft van de tijd loopt er geen stroom, dus het verlies is gemiddeld over de hele tijdsperiode 2W. Hm, kan dat minder? Misschien als we driekwart van de tijd de stroom uitzetten, en een kwart van de tijd 4A laten lopen. Dan hebben we een kwart van de tijd 4*4*1=16W verlies, driekwart van de tijd niks, dus gemiddeld... 4W?! Waar gaat dit heen? Waarom worden de verliezen alleen maar hoger als ik de stroom een kleiner deel van de tijd aanzet?

Ideale geval: stroom, spanning en vermogen uit het stopcontact
Fig. 3: Dit is wisselspanning (rood) en wisselstroom (groen). Wanneer je beide met elkaar vermenigvuldigt krijg je de blauwe grafiek - vermogen. Ondanks dat spanning en stroom van teken wisselen zie je dat het vermogen altijd positief is - het stroomt continu nŠŠr het apparaat dat het verbruikt.[3]

In het geval van gelijkspanning is de meest efficiŽnte manier om vermogen te transporteren door een draad een constante stroom. Echter, in het geval van een wisselspanning is de meest efficiŽnte om vermogen te transporteren - you guessed it - met een sinusoidale stroom die perfect in fase is met de spanning (dat wil zeggen: die de spanning overlapt). Wanneer dat niet zo is, geeft de power factor een maat voor hoeveel extra verlies er is ten opzichte van het ideale geval. Een power factor van 0.5 betekent dat je verliezen veroorzaakt die equivalent zijn aan dat er twee keer zoveel stroom loopt dan de nuttige stroom - en dus 4x zoveel verliezen. Een power factor van 0.33 betekent dus dat je 9x zoveel verliezen genereert!

Displacement power factor

Wanneer we te maken hebben met displacement power factor is de stroom niet in fase met de spanning. In het geval van enkel en alleen displacement power factor is de stroom dus nog steeds net zo'n mooie sinus als de spanning, maar zijn de twee verschoven ten opzichte van elkaar. Vroeg‚h, toen de aarde nog plat was, was dit zowat de enige fundamentele vorm van power factor. De verschuiving van de spanning- en stroomsignalen kun je uitdrukken in de formule voor de functie van de sinus. Zoals ik zei: de sinus kun je zien als kruising tussen de lijn die een bepaalde hoek met de x-as maakt. Wanneer je twee sinussen hebt die uit fase zijn hebben deze dus op hetzelfde moment een andere hoek met de x-as. Het verschil tussen deze twee hoeken wordt - wiskundigen zijn erg creatief met deze benamingen - de fasehoek genoemd. Deze hoek wordt meestal φ (Griekse letter phi*) genoemd, en whaddayaknow, de power factor is gelijk aan de cosinus van die hoek.

*mijn excuses voor het verschillende uiterlijk van de letter phi in de tekst en de (LaTeX-gegenereerde) plaatjes

Jaja, het beweegt!

Displacement power factor
Fig. 4: Nu zijn de spanning en stroom een paar graden ten opzichte van elkaar verschoven. De animatie laat twee sinussen zien die een fasehoek phi hebben tussen elkaar - het onderste plaatje laat nu zien hoe dit zich verhoudt tot het vermogen. Zie dat het vermogen (blauw) nu af en toe onder nul komt: er loopt vermogen terug het net in![3]

Nu weet je waar 'cos phi' op slaat op je energiemeter. Het is identiek aan power factor, als je die zou uitrekenen aan de hand van fasehoek. De displacement power factor is ook de plek waar de term 'blindvermogen' of 'blindstroom' vandaan komt. In het geval van een displacement power factor loopt er namelijk daadwerkelijk meer stroom door je leidingen dan strikt noodzakelijk; als je twee sinussen uit fase vermenigvuldigt zie je dat er op sommige momenten vermogen terug het net in loopt, en op andere momenten die stroom weer extra wordt teruggenomen. Dat extra vermogen dat nutteloos heen en weer wordt gepompt is dus het blindvermogen. Overigens, we hebben het hier nog steeds over diezelfde spanning en stroom uit fase, dus cos phi en blindvermogen slaan op exact hetzelfde fenomeen.

Nog een andere manier om de power factor door displacement uit te drukken is dus de verhouding van schijnbaar tot totaal vermogen, op deze manier:

PF=P/S

Hoe verhoudt dit zich nu tot het blindvermogen? Schijnbaar vermogen is namelijk iets anders dan blindvermogen. Stel je de stroom en spanning in vectorvorm voor. De spanning zetten we gewoonlijk altijd naar rechts op de horizontale as. De stroom staat nu onder een hoek met de spanning.

Van V, I en phi naar S
Fig. 4.5: Schijnbaar vermogen (S), blindvermogen (Q) en nuttig vermogen (P) en hun verhouding tot de stroom en spanning - in vectorvorm

We kunnen de stroomvector ontbinden in een deel dat evenwijdig aan de spanning is (dit is nuttige stroom) en een deel dat haaks op de spanning staat (dit is blindstroom). Als we nu spanning en stroom gaan vermenigvuldigen met elkaar betekent dit dat we op de horizontale as de nuttige stroom (I_P, ook wel bekend als Re{I}, het reŽele deel van de complexe stroom) vermenigvuldigen met de spanning, en op de verticale as de blindstroom (I_Q, ook wel bekend als Im{I}, het imaginaire deel van de complexe stroom) vermenigvuldigen met de spanning, om tot het nuttig vermogen (P) en blindvermogen (Q) te komen. Wat is nu het schijnbaar vermogen? Dat is de vector die je krijgt als je deze twee vectoren bij elkaar optelt (kop-staartleggen): vector S. Zo kun je dus ook zien dat blindvermogen, nuttig vermogen en schijnbaar vermogen zich op deze manier verhouden:

S=sqrt(P^2+Q^2)

Distortion power factor

Nu hebben we te maken met een ander beestje. De stroom loopt namelijk niet uit fase, maar heeft een vorm die heel anders is dan een sinus. Er loopt dus niet af en toe stroom terug het net in; de stroom gaat altijd richting het apparaat dat het consumeert, maar is geen mooie sinus. Dit is suboptimaal. Zoals eerder gezegd: het is beter om stroom geleidelijk te laten lopen dan in korte pulsen. Echter, nu zie je waarom 'cos phi', blindvermogen en dat soort termen totaal geen fysieke betekenis meer hebben. Immers, in het geval van distortion hoeft er helemaal niet meer stroom te lopen dan strikt noodzakelijk; je kunt met droge ogen zeggen dat er gťťn blindvermogen loopt. Ook zijn stroom en spanning prima in fase, of eigenlijk, er is niet echt sprake van fase want ze zijn niet gelijkvormig.

Vervorming van de stroom
Fig. 5: Nu is de stroom opeens geen sinus meer, maar iets... anders.[1]

Harmonische vervorming en THD

In veruit de meeste gevallen heb je te maken met distortion power factor; nagenoeg alle apparaten in je huis die niet puur resistief zijn (inherent PF=1, bijvoorbeeld gloeilampen of warmte-apparaten zoals ovens, waterkokers), zijn geschakelde voedingen van een of ander soort. Deze 'doen' bijna exclusief aan distortion, en niet of nauwelijks aan displacement. Maar hoe meet je distortion? Nou, je hebt vast wel eens gehoord van de term total harmonic distortion of THD - een term die vooral blij wordt gebruikt in de audiowereld. THD is de som van alle harmonische vervorming (HD) op een signaal. HD werkt zo: je kunt wiskundig bewijzen dat elke periodieke functie - dus elke functie die zichzelf elke zoveel tijd herhaalt - is te schrijven als de som van heel veel verschillende sinussen van verschilllende frequentie. Een perfecte sinus bestaat uit de som van precies ťťn sinus, maar zodra je hem vervormt introduceer je het effect van allerlei andere sinussen op een hogere frequentie. Harmonische verstoring is verstoring die optreedt door het effect van sinussen met precies een 2x, 3x, 4x, etc. zo hoge frequentie als je originele signaal. De basisfrequentie in Nederland is 50Hz. De sinus met 2x de basisfrequentie noemen we de 2e harmonische, 3x noemen we de 3e harmonische, en zo verder. Zoals ik al zei: de perfecte sinus heeft enkel die basisfrequentie en geen harmonische componenten. THD zegt je iets over hoe 'sterk' de harmonische component is ten opzichte van de basisfrequentie. Overigens bekijken we met een THD-analyse vaak enkel naar de oneven harmonische componenten (3x, 5x, etc.), omdat de even componenten gemiddeld over een symmetrische golfvorm nagenoeg nul zijn (maar niet altijd!).

Harmonische vervorming behorende bij vervormde stroom
Fig. 6: Dit is de harmonische vervorming behorende bij Figuur 5.[1]

Dit is een plaatje waarin je de sterkte van de harmonische componenten kunt zien van de stroom in figuur [5]. Dit is best dramatisch: de derde en vijfde harmonische (150 en 250Hz) zijn bijna net zo sterk als de basisfrequentie, en daarboven wordt het niet snel beter. Vergelijk dit eens met een apparaat met een bijna perfecte power factor:

Nagenoeg perfect gecorrigeerde sinus met harmonische content ernaast
Fig. 7: Kijk, zo zien we het graag. Stroom die bijna precies in een sinus wordt getrokken. Er is nog minimale harmonische verstoring, zoals je in de rechtergrafiek ziet.[1]

Hier zijn er nauwelijks harmonische componenten, en dat kun je ook zien, want de vorm van de sinus is nagenoeg perfect.

Harmonische verstoring is de 'moderne' manier om storing te meten. Om aan regels voor internationale verkoop van een voeding te voldoen, zijn er limieten aan de 'sterkte' van harmonische verstoring. Die harmonische elementen veroorzaken namelijk niet alleen storing in de buurt van je voeding, maar op het hele (lokale) lichtnet. Je 1e harmonische mag maar zo sterk zijn, je tweede harmonische wat minder sterk, je derde harmonische nog minder sterk. Hoe hoger de frequentie van de verstoring, hoe minder ervan wordt toegestaan. Dit staat dus los van de power factor!

Deze formule relateert de distortion power factor aan THD:

http://tweakers.net/ext/f/jp612LvVwTRaXwFeNHVqlTnP/full.png

Regelgeving en juiste terminologie

Wat heb je nu aan deze informatie? Nou, vervorming heeft twee kanten. Aan de ene kant veroorzaakt het een slechtere power factor met de bijbehorende problemen, aan de andere kant veroorzaakt het harmonische verstoring die ook aan banden moet worden gelegd. Zelfs met een relatief goede power factor (0.9 of beter bijvoorbeeld) kun je harmonische verstoring veroorzaken die de regels overtreden. Dit is wellicht een goede tip voor reviewers van voedingen - bekijk de harmonische verstoring ook eens, dat kan met elke spectrum analyzer, zelfs je geluidskaart!

Toelaatbare harmonische vervorming en enkele voorbeelden
Fig. 8: Hier zie je drie soorten voedingen: ťťn zonder PFC, en twee met verschillende vormen van PFC (wordt later uitgelegd). De dikke blauwe lijn vertelt je wat er toelaatbaar is. Zonder PFC overschrijdt de voeding de regelgeving.[1]

Bij displacement power factor loopt er fysiek blindstroom, en is er een meetbare faseverschuiving. Cosinus phi en blindstroom zijn dus fysieke grootheden, en veroorzaken een suboptimale power factor. Bij distortion power factor heb je alleen vervorming en geen faseverschuiving of blindstroom, maar alsnog een slechtere power factor. Ondanks dat energiemeters de power factor meten, staat er in het schermpje vaak cos phi. Maar wanneer de power factor door vervorming wordt veroorzaakt, heeft phi (en dus ook blindstroom) in dat geval opeens geen fysieke betekenis meer en is het enkel wiskundig gelijk aan de power factor. Dat is waarom power factor de beste term is, behalve als je heel zeker weet dat je puur en alleen displacement aan het meten bent. Er wordt namelijk in de leidingen van het lichtnet nog steeds meer verlies veroorzaakt dan noodzakelijk, en dat willen we niet. Wie willen dat niet?

Implicaties van de power factor

Voor de consument

Ik heb het de hele tijd over extra verliezen. Waar zitten die extra verliezen in, en hoeveel verliezen worden er Łberhaupt veroorzaakt? Is dit significant? 3x zoveel is natuurlijk nog steeds weinig als je met weinig begint. Drie keer niks is niks, zeg maar.

- Verliezen in leidingen. In een gemiddeld huishouden hebben je stroomleidingen - gemeten vanaf de meterkast tot een apparaat - een weerstand in de orde van ohms (of tienden van ohms in goede installaties). 1 ohm, 2 ohm, dat soort getallen. Moderne installaties zitten overigens vaak (bijna) een orde van grootte beter - 0.1 ŗ 0.2 ohm. Een apparaat dat 230W - 1A - trekt zal dus in de orde van watts verlies genereren in je leidingen. Dat is niks, toch? Nou, stel eens dat de power factor van je huis gemiddeld 0.5 is. Wow, wat slecht! Ja, zonder PFC kom je al gauw op dat soort getallen, hoewel een gemiddeld huishouden het nog wel iets beter doet. Een gemiddeld huishouden trekt RMS 250 tot 400W. Soms wat meer, soms wat minder, maar het RMS getal is ongeveer dit. Met een power factor van 0.5 betekent dat dat er in de orde van 10-20 watt verloren gaat in je leidingen. Je vindt dat nog steeds weinig? Nou: dat is 5-10%! Het vermogen van elk apparaat in huis kun je gerust vermenigvuldigen met 1.1 om het daadwerkelijk opgenomen vermogen aan de meter te krijgen. Door de power factor meer richting 1 te krikken kunnen deze verliezen door vieren worden gehakt, en dit scheelt een of twee tientjes per jaar. Uiteraard hangt dit ook af van je leidingen; een beter elektrisch systeem is hier minder gevoelig voor. Grootverbruikers en zaken die constant verbruiken met een slechte power factor (koelkast, CV-pomp) kun je ook het beste dichtbij je meterkast zetten met een zo kort mogelijke draad. Voordat je dit doet heeft het wel zin even te meten hoeveel jouw installatie daadwerkelijk aan verlies genereert. Wanneer je grootverbruikers in de bijkeuken vlak nast de meterkast staan, of je Łberhaupt een goede elektrische installatie hebt kunnen deze getallen een stuk minder significant worden.
- Verliezen in het apparaat zelf: Vooral schakelende voedingen zijn vrij gevoelig voor power factor. De verliezen in de bruggelijkrichter en het netfilter worden gauw slechter met een slechte power factor. Dit heeft ook invloed op de kosten van een voeding; meer verliezen en meer stroom om te verwerken betekent dat je diodebrug en netfilter fysiek groter en duurder moeten worden. Je zou het niet denken, maar die 'power factor correction'-functionaliteit in hoogvermogen-computervoedingen zit er niet alleen als marketinggimmick, maar ook omdat de voeding er daadwerkelijk goedkoper door wordt om te maken. More is less, ofzo.
- Maximaal opneembaar vermogen. Ik had het al over zekeringen: die heb je ook in je meterkast zitten. Wanneer er nu een apparaat aan zit dat maar 1.6A trekt - zo'n 400W - met een power factor van 0.1, ziet de zekering het alsof er 16A doorheen loopt en hij dus op het punt staat om op te blazen. Je dacht dat je 4kW per groep kunt trekken? Fout! Je kunt dat alleen trekken als je power factor 1 is. Anders gezegd, je kunt maar ongeveer 4kVA trekken per groep!

Voor de energiemaatschappij

De energiemaatschappij moet al die extra stroom ook transporteren, met bijbehorende verliezen. Nou, eigenlijk doen ze dat niet, hoor. Het zou echt heel veel verlies geven als die power factor van 0.5 helemaal zou doorwerken door alle leidingen naar de elektriciteitscentrale toe! De energiemaatschappij moet wel zogenaamde power factor correctors installeren op tussenstations. Vervolgens moet stroom met een slechte power factor alsnog van het basisstation (wijk/buurt-niveau) naar een verdeeldoos (halve straat-niveau), naar je huis worden getransporteerd. Dat gaat zeker met extra verlies gepaard. Voorlopig wordt dit nog niet extra belast, ondanks dat het al gauw voor nog eens 10% verlies zorgt. Echter, in je distributiebelasting (of hoe ze dat ook noemen) zit die power factor corrector echter al wel inbegrepen, en indirect betaal je natuurlijk ook voor alle distributieverliezen. Bedrijven die veel blindvermogen veroorzaken betalen al wel extra voor hun blindvermogen.

Power factor correction

Hoe werkt een PFC-eenheid?

Goh, mux, wat een doom and gloom allemaal. Vergaat de wereld nu? Kunnen we niet gered worden van de power factor ondergang? De tsunami van blindstroom? Haha, die is best grappig.

Jawel: power factor correction (PFC). De afkorting heb je in eerdere figuren al langs zien komen. Dit is een apparaat of onderdeel van een apparaat dat de power factor van een apparaat waar dit in of aan zit verbetert. Ik ga het in dit stukje specifiek hebben over power factor correction in een schakelende voeding.

Je hoeft hiervoor eigenlijk niet eens te weten hoe een schakelende voeding werkt. Het enige wat je hoeft te weten is dat een schakelende voeding een apparaat is dat doorgaans op een DC-spanning van ongeveer 325V werkt en een hele wisselende stroomvraag heeft - naar gelang het apparaat erachter wat nodig heeft uiteraard. De power factor corrector zit tussen het lichtnet en de schakelende voeding en werkt als een soort buffer. Hij meet hoeveel vermogen er wordt gevraagd - meestal door te meten hoe snel de grote primaire condensator leegloopt. Vervolgens berekent hij hoeveel stroom hij dan in zo'n perfecte sinusvorm zou moeten trekken uit het stopcontact (met een hele hoge power factor) om uiteindelijk gemiddeld het gevraagde vermogen aan de adapter te kunnen leveren. En vervolgens doet hij dat. Een power factor corrector gebruikt doorgaans een boost converter om uit het lichtnet een sinusoidaal variŽrende stroom te kunnen trekken en om te zetten naar een min-of-meer vaste gelijkspanning. Zie het als iemand die af en toe veel, en af en toe weinig water uit de kraan wil hebben. De power factor corrector meet hoeveel die persoon gemiddeld nodig heeft, neemt die gemiddelde hoeveelheid water met een constante stroomsnelheid uit de waterleiding, en slaat het op totdat de persoon het nodig heeft. Een buffer. Heel gewoon.

Een power factor correction cel
Fig. 9: Dit is een power factor corrector. Vind je dat het eruit ziet als een boost converter? Nou, dat is het ook! (Aangepast voor leesbaarheid. Zie bron voor exacte werking.)[1]

En dat is alles! Dit is power factor correction (PFC) in 99% van de gevallen. Ik ga niet eens in op capacitor banks en dat soort PFC want dat is toch niet van toepassing op niet-industriele zaken (en zelfs daar is het ouderwets aan het worden). PFC is iets dat meestal niet 'los' verkrijgbaar is: in - wederom - 99% van de gevallen zit PFC ingebouwd in een voeding. Er bestaat wel zoiets als losse power factor correctors, voor hele huizen of bedrijven bijvoorbeeld.

Eigenschappen van PFC

Power factor correction heeft wel een paar gevolgen die gedeeltelijk obvious en gedeeltelijk niet zo obvious zijn. Afgezien van de bovengenoemde problemen wordt er meer opgelost, namelijk:

PFC zorgt dat een voeding op meerdere netspanningen (en -frequenties) kan werken. Hier in Europa leven we op 230V 50Hz, maar in andere delen van de wereld gebruikt men 115V en her en der 60Hz. En belangrijker nog; in een hoop gebieden - ook in Europa - is het lichtnet lang niet zo netjes stabiel als hier. De PFC-module is een buffer met een boost-converter die elke willekeurige lagere spanning (maar in de praktijk niet lager dan ~80-90V) kan omzetten naar de gewenste 325V. Ook als die spanning constant aan het wiebelen is; het is echt heel robuust.
PFC verbetert netwerkstabiliteit en interferentie. Door stroom 'netter' te trekken verminder je niet alleen verliezen, maar zorg je er ook voor dat er minder storing wordt geÔntroduceerd op het lichtnet, iets dat zeker met TL-balken duidelijk te zien is als een sterke vervorming van de netspanning. Dit soort vervorming, maar ook de power factor op zich, kan voor lokale instabiliteit zorgen van het lichtnet in bijvoorbeeld je straat. Vooral een slechte power factor gecombineerd met apparaten die terugleveren aan het lichtnet (zonnepanelen etc.) kunnen voor lokale (straat-niveau) problemen zorgen met de stabiliteit waar de netspanning soms meerdere volts per uur kan variŽren.
PFC maakt een voeding kleiner en goedkoper. De voornaamste reden dat we tegenwoordig voedingen van 1kW en inmiddels zelfs 1,5kW hebben is omdat je met PFC de primaire elco en het netfilter klein kunt houden. Dit zijn de onderdelen die zonder PFC de grootste klappen krijgen. Waar een PFC-unit in een hele kleine voeding - een adapter bijvoorbeeld - vaak nog meer ruimte inneemt dan hij bespaart, is zo'n ding pure kosten- en ruimtewinst in eigenlijk bijna elke ATX-voeding vandaag de dag.
PFC kost energie. Hm, wacht eens even, bad power factor is bad, toch? PFC is goed, toch? Nope, niet altijd. Power factor correction is niet altijd de beste keuze. Die boost converter die we PFC-module noemen heeft zelf ook wat vermogen nodig om te werken, en is op zichzelf echt niet 100% efficiŽnt. Een typische PFC-eenheid in een adapter kost je ongeveer 1W en is 95% efficiŽnt. Als je met een project zoals het mijne bezig bent - een full-fledged computer die op 9W loopt - betekent dat 15% extra verbruik om de power factor te verbeteren. En dat terwijl het apparaat in dit geval Łberhaupt nauwelijks voor problemen zorgt, ongeacht hoe slecht de power factor is, juist omdat hij heel weinig verbruikt. Doorgaans kun je als vuistregel aannemen dat vanaf 75W/100VA een PFC-module zichzelf gaat terugbetalen - en nog wat eerder als je meerekent dat componenten ook kleiner kunnen in een adapter met PFC.
PFC verbetert veiligheid. Dit is iets wat ik moet noemen, maar waar gauw teveel nadruk op wordt gelegd. We nemen wederom het voorbeeld van een schakelende voeding: hierin zit onder andere een zekering. Wanneer er teveel stroom door deze zekering loopt faalt hij en krijgt de voeding - die waarschijnlijk stuk was en daardoor teveel stroom ging trekken, mogelijk leidend tot brandgevaar - geen stroom meer en gaat uit. Wanneer de power factor van deze voeding heel slecht is moet de zekering ook veel groter worden om de extra blindstroom (of equivalente effect) te kunnen geleiden. De zekering moet dus ver worden overgedimensioneerd. Wanneer de voeding dan opeens op een andere manier faalt dan voorzien en heel veel stroom gaat trekken met een goede power factor zal de zekering veel minder snel opblazen en eventueel gevaar afwenden. PFC zorgt er bovendien voor dat je voeding altijd op (nagenoeg) alle netspanningen werkt, waardoor je niet meer een apparaat dat eigenlijk bedoeld is voor 115V in een 230V-stopcontact kunt steken en zo kunt opblazen.

Active en passive PFC

In dit stukje heb ik het alleen gehad over Active PFC, oftewel een circuitje met transistoren en andere niet-passieve (passief betekent: weerstand, inductor, condensator, diode) componenten. Er bestaat ook zoiets als Passive PFC. Voor geschakelde voedingen betekent dit dat er een hele grote inductor tussen het netfilter en de diodebrug wordt geplaatst. Dit zorgt voor een power factor van ongeveer 0.8 - beter dan de 0.6 die een PFC-loze voeding haalt, maar slechter dan de 0.99 of beter die active PFC voor elkaar kan krijgen. Vroeger, toen voedingen meestal niet zwaarder waren dan 250W, werd dit vaak gedaan omdat destijds active PFC relatief duur was. Echter, magnetische componenten (en ja, een inductor is een magnetisch component) zijn duur naarmate ze groter wordt en zo'n passive PFC inductor is zelfs voor een relatief 'laag' vermogen van 250W al een bakbeest van zo'n 100-200 gram. Naarmate voedingen zwaarder werden was dit niet vol te houden en tegenwoordig heeft eigenlijk geen enkele voeding meer passive PFC. Het is in het algemeen in de laatste jaren ook gewoon goedkoper geworden om active PFC te gebruiken.

Een andere vorm van passive PFC is wanneer je belasting vooral door displacement een slechte power factor veroorzaakt. Dit komt voor bij bijvoorbeeld AC elektromotoren. Door inductoren of condensatoren serie- resp. parallel te schakelen aan deze belasting kan de power factor sterk worden verbeterd. Ik zal hier niet verder op ingaan want het heeft bijna alleen betrekking op zware industriŽle toepassingen.

Conclusie

De power factor, is het moeilijk te begrijpen? Neehoor. De enige basiskennis die je nodig hebt is een goed onderscheid tussen spanning en stroom, en weten wat een sinus is. Met die basiskennis kun je de terminologie die je terugvindt rond het onderwerp allemaal begrijpen. Is een goede power factor belangrijk? Ja, met ťťn uitzondering: apparaten die weinig VA's verstoken. Helpt het om te letten op de power factor van een apparaat? Ja, als het een groot deel uitmaakt van je totale verbruik. Koelkasten zijn bijvoorbeeld crimineel belabberd op dit punt; ondanks dat er op het label staat dat hij bijvoorbeeld 200kWh per jaar verstookt, wordt er in werkelijkheid een paar tot 10% meer afgetikt voor dat ding per jaar, zeker in een huis met oude bedrading. Niet vanwege het blindvermogen zelf - dit wordt immers niet afgerekend bij de elektriciteitsmaatschappij - maar door de extra verliezen die zo'n apparaat veroorzaakt in je leidingen. Laat staan de harmonische vervorming die het veroorzaakt. Verdien je het terug om je kabels allemaal opnieuw te leggen en perfect te optimaliseren, of een koelkast met een betere power factor te kopen? Neuh, waarschijnlijk niet - voor die 2 euro per jaar gaat je dat niet lukken.

Maar ik wil met dit blog ook het onbegrip wegnemen dat af en toe bestaat over de power factor. Power factor is niet gelijk aan rendement. Blindvermogen is geen echt vermogen en is dus niet iets waar je voor hoeft te betalen. Bovendien zijn er een hoop mensen die niet goed het onderscheid tussen veel termen kunnen maken - rendement, blindvermogen, cos phi, faseverschuiving, vervorming of de rol van PFC in een moderne voeding. Hopelijk maakt dit blog dat een heel stuk duidelijker.

Als laatste is er nog die tip voor reviewers: bekijk niet alleen de waarde van de power factor van voedingen, maar ook hoeveel harmonische vervorming zo'n ding veroorzaakt. Je kunt dit doen met een dure spectrum analyzer, maar gezien we niet bepaald over vreselijk breedbandige analyse praten kan dit ook met een geluidskaart, shuntweerstand en optische/magnetische isolatie. Dit hoeft maar een uurtje werk en 5 euro aan componenten te zijn!

Bronnen

[1] ON Semiconductor - power factor correction handbook

[2] Wikipedia - Sine

[3] Wikipedia - Power Factor

Met dank aan nwwilleke, DaWaN, jeronimo, Dadona, donzz, dbeijer85, JKP-Kipmans, Dre, Boudewijn voor het proeflezen

Volgende: A multimeter love story (of: Fluke 183 voor 45 euro) 01-'11 A multimeter love story (of: Fluke 183 voor 45 euro)
Volgende: Het nut van een blog + kwaliteit Tweakblogs. 01-'11 Het nut van een blog + kwaliteit Tweakblogs.

Reacties


Door Tweakers user ieperlingetje, zaterdag 08 januari 2011 19:16

Mijn complimenten voor deze post _/-\o_ Je hebt net mijn cursus elektriciteit samengevat :P

Door Tweakers user tikimotel, zaterdag 08 januari 2011 19:32

Als consument mag je blij zijn dat de energie maatschappijen je de kWh in rekening brengen en (nog) niet de kVAh.
De meeste apparaten gaan in standby met een powerfactor van ca. 0,3.
Dwz. dat een apparaat met 6Watt standby verbruik, eigenlijk zich gedraagt als een "20Watt" apparaat. (6Watt bij een PF van 0,3 zorgt voor 20VA belasting)
Er moet dus 233% meer stroom getransporteerd (en gemaakt) worden dan daadwerklijk in rekening gebracht wordt.

Door Tweakers user Xghost, zaterdag 08 januari 2011 19:34

en leveren een bepaalde stroom op 12V, 5V, 3.3V, ga zo maar door.
Sinds wanneer is de eenheid van stroom Volt?

Zullen we er maar spanning van maken? :)

Door Tweakers user CodeCaster, zaterdag 08 januari 2011 19:42

Mis je het woordje "op" niet? ;)

Mooie blog overigens, ik begrijp je rant in je vorige blog nu beter. Heerlijk informatief en goed leesbaar voor een (wel technische) leek.

Door Tweakers user mux, zaterdag 08 januari 2011 19:43

Ik heb die zin wat verduidelijkt.

Door Tweakers user wheez50, zaterdag 08 januari 2011 19:51

Xghost schreef op zaterdag 08 januari 2011 @ 19:34:
[...]

Sinds wanneer is de eenheid van stroom Volt?

Zullen we er maar spanning van maken? :)
...leveren een bepaalde stroom op een spanning van X volt...

Impliciet genoemd maar voor jou geexpliciteerd.

Tenzij je behoorlijk dom bedoelde dat een voeding een spanning levert van x volt. Da's de helft van een plaatje. Zoals het artikel trouwens prima uitlegt is stroom of spanning op zich niets meer dan een wiskundig grapje om iets uit te leggen. Alleen samen zijn ze van betekenis. Dus een voeding is een leverancier van stroom op een spanning. Of in symboliek:

Pgeleverd(voeding)= U x I

en dus niet volgens jou: Pgeleverd(voeding) = I U

edit twee: gedeeltelijk mijn edit verwijderd en het belangrijkste laten staan:

Mux, bedankt voor je goede blog!

[Reactie gewijzigd op zondag 09 januari 2011 22:01]


Door Tweakers user Xghost, zaterdag 08 januari 2011 20:00

Sorry dat ik zo aan het mierenneuken ben, maar zodra je dit als studie doet krijg je dikke vette rode strepen door je werk en punten aftrek als je spanning en stroom door elkaar haalt. Overigens bedoelde de blogposter het niet zo waarschijnlijk dus is er ook totaal niets aan de hand omdat het al geŽdit is.

Door Tweakers user mux, zaterdag 08 januari 2011 20:07

Zoals al eerder aangegeven: je las over het woordje 'op' heen. Het is prima elektrotechnische taal om te zeggen dat iets 500mA op 3.3V levert. De edit was enkel ter verduidelijking, gezien het artikel niet bedoeld is voor mensen die deze taal spreken, maar voor de geÔnteresseerde leek.

In ieder geval bedankt voor de comment, het was absoluut geen gemierenneuk. Het is belangrijk om duidelijk te zijn.

a.u.b. geen beledigende comments plaatsen, deze zullen verwijderd worden, zelfs als ze ontopic zijn

[Reactie gewijzigd op zaterdag 08 januari 2011 20:10]


Door Tweakers user Pruimenvlaai, zaterdag 08 januari 2011 20:10

We kunnen de stroomvector ontbinden in een deel dat evenwijdig aan de spanning is (dit is nuttige stroom) en een deel dat haaks op de spanning staat (dit is blindstroom)
Hier snap ik het even niet meer :P
Moet dat rode lijntje van de spanning niet de vorm hebben van een sinus, of heb je er hier een soort van indexcijfer van gemaakt? :/ Ik heb wel gehad hoe je de spanningsvector die over je hart loopt moet ontbinden naar linker- en rechterarm ofzo, maar een spanning die haaks op de stroom staat... 8)7

Door Tweakers user mux, zaterdag 08 januari 2011 20:18

Pruimenvlaai schreef op zaterdag 08 januari 2011 @ 20:10:
[...]

Hier snap ik het even niet meer :P
Moet dat rode lijntje van de spanning niet de vorm hebben van een sinus, of heb je er hier een soort van indexcijfer van gemaakt? :/ Ik heb wel gehad hoe je de spanningsvector die over je hart loopt moet ontbinden naar linker- en rechterarm ofzo, maar een spanning die haaks op de stroom staat... 8)7
Dit zal waarschijnlijk een beetje langs je heen gaan als je geen vectoren hebt gehad op de middelbare school (of later). Je moet eerst de denkstap maken dat je van wisselstroom/spanning vectoren maakt die onder een hoek staan (probeer dat maar uit de mooie animated GIFs te destilleren), en daarna moet je weten wat vectoren ontbinden, optellen en vermenigvuldigen voorstelt. Wikipedia kan je wellicht helpen. Omwille van de lengte van het blog heb ik precies dat stukje wat korter en 'moeilijker' gehouden.

Door Tweakers user Xghost, zaterdag 08 januari 2011 20:33

Ah, ik las niet alleen over het woordje op heen, maar ook over de post van CodeCaster. Excuses :)

Door Tweakers user vanaalten, zaterdag 08 januari 2011 21:06

[Miere(n)copulatiemode]
Wisselspanning betekent strikt genomen dat de spanning op de gegeven frequentie - 50 keer per seconde dus - van teken wisselt.
... een 50Hz wisselspanning wisselt 100 keer per seconde van teken.
[/Miere(n)copulatiemode]

Op het eind schrijf je nog:
Power factor is niet gelijk aan rendement
... en dat is voor het eerst dat je 'rendement' noemt. Wat is dan wel rendement, en heeft het een relatie met power factor?

Nou is rendement denk ik niet echt een strak gedefinieerde term, maar bij voedingen voor PC's en zo: opgenomen vermogen t.o.v. afgegeven vermogen, ofwel een maat voor hoeveel vermogen de voeding zelf nodig heeft. Dus: waardoor worden verliezen in een voeding veroorzaakt? O.a., zoals je al aangegeven had, een PFC circuit, maar wat zijn de andere grote verbruikers in een voeding?

Overigens, zoals anderen ook al schrijven, en zoals ook al over vorige blogs gezegd is: indrukwekkend staaltje kwalitatief goed blogwerk!

Door Tweakers user mux, zaterdag 08 januari 2011 21:14

Gosh, da's een goeie. Ik heb het verbeterd.

En wat betreft het daadwerkelijke rendement van de voeding: daar gaat m'n volgende blog over! Althans, er staat zowel een blog over m'n 9W core i3-systeem als over voedingen in de steigers, dus wellicht mijn blog nŠ m'n volgende. Dit was eigenlijk een onderdeel van een blog over hoe adapters werken, maar het is uit de hand gelopen en een geheel eigen blog geworden.

Door Tweakers user Punkie, zaterdag 08 januari 2011 21:15

Prachtig, ten minste in zoverre ik het begrepen heb ;)

Heb ik er over gelezen of staat er nergens expliciet aangegeven wat er zo erg is aan de frequentie van de harmonische verstoring? En waarom de revieuws deze zouden moeten meten (en niet enkel de power factor moeten bekijken)?

Door Tweakers user Dooievriend, zaterdag 08 januari 2011 21:16

vanaalten schreef op zaterdag 08 januari 2011 @ 21:06:
Nou is rendement denk ik niet echt een strak gedefinieerde term
Rendement = nuttig / totaal

Rendement heeft bijgevolg geen eenheid, maar is wel een strak gedefinieerde term (als nuttig en totaal gedefinieerd zijn tenminste).


Over de blogreeks: _/-\o_ Mijn 2 jaar fysica komen weer boven :)

Btw, op welke manier vermenigvuldig je je vectoren? Kruisproduct of puntproduct? }:O

[Reactie gewijzigd op zaterdag 08 januari 2011 22:52]


Door Tweakers user mux, zaterdag 08 januari 2011 21:29

Punkie schreef op zaterdag 08 januari 2011 @ 21:15:
Prachtig, ten minste in zoverre ik het begrepen heb ;)

Heb ik er over gelezen of staat er nergens expliciet aangegeven wat er zo erg is aan de frequentie van de harmonische verstoring? En waarom de revieuws deze zouden moeten meten (en niet enkel de power factor moeten bekijken)?
Ik kan dit ontleden in drie vragen

1) harmonische verstoring an sich heeft invloed op het elektriciteitsnet, het zorgt voor ongewilde storing op het netwerk. Dit heeft legio consequenties, zeker als deze verstoring heel sterk wordt.

2) De reden dat hogere frequenties 'slechter' zijn, is omdat ze meer storingsvermogen representeren bij dezelfde amplitude en op die manier een sterkere verstorende invloed hebben.

3) De reden dat reviewers ernaar moeten kijken, is omdat THD tegenwoordig als een belangrijkere maatstaf voor kwaliteit van voedingen wordt gezien dan de power factor alleen. Het is bovendien ook een belangrijke eis waaraan moet voldaan om een product te mogen verkopen, dus het is mooi als dit extern ook eens wordt gestaafd. Er wordt immers ook al naar storing op de 12V/5V/3.3V-lijnen gekeken.

Door Tweakers user H!GHGuY, zaterdag 08 januari 2011 21:37

Tijd voor applied science, dan maar.

Recent hebben we het huis volgestouwd met PowerLED spots waarvan vaak gezegd wordt dat ze een slechte power factor hebben.

Als ik nu jouw verhaal een beetje begrijp, dan hebben we er goed aan gedaan om de kabels die er lagen op 12VDC te zetten. De voedingen lijken, naar wat ik opmaak uit de tekst, allemaal active PFC te hebben; Ze accepteren allemaal 90-230V, op eentje prijkt zelfs een aanduiding van cos phi = 0.99. En dat lijkt toch allemaal goed samen te vallen met de gegevens die je in je blog geeft, niet?

Mochten we nu eenvoudige gewikkelde transformatoren geplaatst hebben, dan kwam er op elke spot 12VAC te staan welke dan intern gelijkgericht moet worden en omgezet in een constant-current (via een buck convertor als ik me niet vergis?). Dit zou allemaal zonder PFC gebeuren met de nodige PF problemen?

Mijn conclusie zou dus zijn dat door het plaatsen van geschakelde voedingen met PFC de PF een stuk beter is dan met gewikkelde voedingen.
Heb ik het wat begrepen of zak ik maar meteen door tot AustraliŽ?

Door Tweakers user mux, zaterdag 08 januari 2011 21:48

Nou, je hebt in principe gelijk. Een gewikkelde voeding die 12VAC aan de LEDs verschaft, waarna de LED-elektronica zonder enige vorm van PFC (ja, dit geldt voor alle AC, ook laagspanning, zolang je die maar met een transformator en niks anders uit het net trekt) de LEDs van een constante stroom voorziet, zal een dramatische power factor en in dit geval waarschijnlijk ook een dramatische effiŽntie halen (hoewel dat gedeeltelijk los van elkaar staat - transformatoren kunnen erg efficiŽnt zijn).

Maar aan de andere kant zijn LEDs een ontzettend lichte belasting; een LED-vervanger van een halogeenspot doet ongeveer 8-10x zuiniger zijn. Ondanks dat de PF waarschijnlijk slechter is, zou het aan het einde van de rit niet zo'n gigantische invloed hebben gehad. Hoeveel wattjes heb je nu hangen? En on a sidenote: hoe is je kleurtemperatuur? Ik heb gigantische problemen daarmee...

Die LED-spots die je direct op AC kunt aansluiten zijn inderdaad een regelrechte no-go. Er is doorgaans niet genoeg ruimte (en budget) om er PFC in te stoppen, en de buck-converters die erin zitten zijn ook ruimte- en geldbespaard aan alle kanten, waardoor een groot deel van je voordeel ten opzichte van bijv. spaarlampen teniet wordt gedaan.

Door Tweakers user VVVJeroen, zaterdag 08 januari 2011 22:15

Whew, een blog met de titel "De power factor uitgelegd" kan alleen van mux zijn was de gedachte en het klikken werd onmiddellijk beloont. Hierbij is weer een interessant stukje gepubliceerd wat ik weer met veel interesse heb gelezen.

Is het verder niet mogelijk dat je wat contact opneemt met het review team van T.net om zo in de volgende test hier ook deze metingen te introduceren? Wie weet ontketend het een trend ;).

Door Tweakers user PietrKempy, zaterdag 08 januari 2011 22:15

In Belgie is het zo dat grote stroomverbruikers (fabrieken, scholen met veel machines, etc.) moeten zorgen dat hun cosinus phi niet te laag ligt (zo dicht mogelijk bij 1 dus). Wanneer deze te laag is moet er bij betaald worden. Nu was het volgens mij ook zo dat als je 1 spoel hebt je cos(phi) 0 wordt en je dus heel veel zult moeten betalen, maar een condensator is volledig tegen fase (t.o.v. een spoel) waardoor er bij ons op school dus bij iedere machine (welke vooral veel spoelen bevatten) condensators geplaatst worden om de cos(phi) een beetje binnen de perken te houden. Ik kan er ook helemaal naast zitten (het is ondertussen alweer een dikke 2 jaar geleden dat ik ook nog maar iets technisch gezien heb :p)

Door Tweakers user mux, zaterdag 08 januari 2011 22:25

@VVVJeroen: ze hebben hier bij tweakers Łberhaupt nog geen fatsoenlijke voeding-testbench, en bovendien zijn de 'leukere' reviews ook eigenlijk grootendeels afhankelijk van de users met hun eigen apparatuur. Ik kan me ook niet echt voorstellen dat ze bij tweakers - met de brede techniek die ze reviewen - een uitgebreide testbench voor elk soort apparatuur gaan neerzetten. En vůůrdat je een spectrum analyzer neerzet moet je eerst nog even een temperatuurgecontroleerde kast, 1.5kW instelbare belasting en power analyzer in huis halen. Op dat niveau zit Tweakers.net nog lang niet, maar sites als X-bit labs en Hardware Secrets zouden hier wel goed aan doen.

@PietrKempy: je hebt helemaal gelijk, spot-on. Een inductor zorgt voor een fasehoek in ťťn richting, en een condensator in de andere richting. Door evenveel Henry's aan inductoren als Farads aan condensatoren bij elkaar te zetten kun je het effect tenietdoen en krijg je een hele goede (niet perfect 1, dat is erg lastig) power factor terug. Aan het einde van het kopje 'Active en passive PFC' hint ik hier ook naar. En ja, grote bedrijven en instanties moeten wťl betalen voor hun VA's en niet alleen hun watts.

Door Tweakers user Ulster Seedling, zaterdag 08 januari 2011 22:38

Nette blog! Het lukt me nog niet om alle uitleg precies te snappen, maar het idee is duidelijk. Dat krijgt een gemiddelde docent niet voor elkaar, complimenten dus! Ga je in de toekomst meer dan deze mooie stukken schrijven?

Door Tweakers user mux, zaterdag 08 januari 2011 22:43

Mijn doel voor in ieder geval dit kalenderjaar, wellicht meer tijd, is om onderwerpen op het gebied van vermogenselektronica in heldere, duidelijke taal uit te leggen aan een (geinteresseerd, dat wel) lekenpubliek. Ja dus.

Een deel van mijn blogs zal over toepassingen van deze kennis gaan (9W core i3-systeem, mini-ITX systeem), en een deel zal theoretische uitleg zijn.

Door Tweakers user letatcest, zaterdag 08 januari 2011 22:51

Ik mis wel het antwoord op hoe het universum nou precies beÔnvloed wordt ;)

Verder hulde voor een hele bak werk! Klein dingetje misschien is om de rekenvoorbeeldjes niet alleen maar in tekstvorm neer te zetten, bijvoorbeeld bij de Implicaties van de power factor, je haalt wel eerst verschillende formules aan, maar die zie ik toch graag met cijfers erin, ook bij het pc-voedingverhaal, de grafiek is op zich duidelijk, maar een vergelijking met de waarden die op de verpakking van een voeding staan (ook al zijn ze onder perfecte omstandigheden gemeten) geven mogelijk een directer inzicht voor de leek.

Door Tweakers user mux, zaterdag 08 januari 2011 23:01

Dat is een ontzettend goed punt. Om eerlijk te zijn was het ook m'n bedoeling om er nog een paar plaatjes van mijn metingen bij te doen (ik heb nog een hele DM-thread gestart met verschillende mensen die mijn blog hebben proefgelezen waarin ik sommige van die plaatjes zelfs heb gebruikt).

Het is nu een beetje te laat om dit in te voegen, maar hier in ieder geval een plaatje dat ik in die DM-thread had gebruikt:

http://tweakers.net/ext/f/24m3UUj9oWl76nNhGZvfxYKo/full.jpg

Het is moeilijk te lezen, maar ik heb hier twee power meters geinstalleerd op mijn (destijds nog) 10W verbruikende core i3-systeem. Het witte ding is de Voltcraft Energy Logger 3500 welke 9.9W en een power factor van 0.50 laat zien, en het bont gekleurde apparaat eronder is een Elcontrol Microvip mk1.1 die ook 9.9W laat zien, en een power factor van 0.52. Dit is dus een computervoeding zonder enige vorm van PFC (die heb ik er omwille van de zuinigheid uitgesloopt), heel licht belast. Deze voeding dus:

http://tweakers.net/ext/f/iQckupAZNUuI2Ka3EyCHLzyt/full.jpg

en op dit plaatje kun je beter zien wat de Energy Logger 3500 nou precies laat zien, namelijk het nuttig vermogen P in W, schijnbaar vermogen S in VA en de power factor. Je moet weten dat het er staat, maar rechts van de power factor staat dus 'cosPHI' en een hoek-tekentje.

(excuses dat de plaatjes niet direct in deze post staan, maar tweakblogs.net ondersteunt dit blijkbaar niet)

[Reactie gewijzigd op zaterdag 08 januari 2011 23:02]


Door Tweakers user TheMazzter, zaterdag 08 januari 2011 23:04

Mooi en vooral helder uitgelegd wat mij betreft, alleen met de stelling dat spanning en stroom enkel en alleen wiskundige ideeŽn zijn heb ik wat moeite.
De stroom wordt uitgedrukt in ampŤre; dat is gelijk aan coulomb/seconde en geeft dus aan hoeveel lading er per seconde door een stroomdraad gaat (vergelijkbaar met debiet in een rivier dus, en volgens mij 'iets' meer dan enkel een abstracte grootheid), de spanning geeft aan hoeveel energie elke ladingsdrager in de stroomdraad met zich meedraagt, vermenigvuldigd met elkaar geeft dit dus inderdaad vermogen (energie per tijd).
Het is dus niet zo dat er in de 'echte' wereld enkel vermogen bestaat, en dat we spanning en stroom bedacht hebben om handig te kunnen rekenen.

By the way, hulde aan mux om de moeite te doen om ons van alles uit te leggen.

Edit: Ben het trouwens nog steeds niet met je eens, na je post hieronder, maar ga nu maar eens een poosje slapen.

[Reactie gewijzigd op zaterdag 08 januari 2011 23:21]


Door Tweakers user mux, zaterdag 08 januari 2011 23:12

Spanning, stroom, weerstand, inductie, capaciteit en al dit soort dingen meer zijn niks anders dan wiskundige ideeŽn. Als je enigszins meer in de buurt wilt komen van de fysieke realiteit moet je het over B-, H-, D- en E-velden gaan hebben, waarbij er sommige kerken zijn die zeggen dat het B- en E-veld de werkelijke fysieke dingen zijn, en anderen vinden dat H- en D-velden het woord van God zijn. Weer anderen zijn het hier totaal mee oneens en vinden dat je enkel over fysieke zaken mag praten in termen van elektron-interacties: ladingen, gibbs free energy, bandgaps, kwantumfunctietheorie.

Maar iets waar iedereen het wel over eens is, is dat spanning en stroom bestaan om de wiskunde makkelijker te maken :D Ja, ze hebben te maken met een effect in de fysieke realiteit, en voor de meeste doelen voldoen ze uitstekend, maar je moet er een grote bak nuance bij smijten voordat je het gelijk kunt stellen aan de fysieke werkelijkheid. Nofi trouwens, voor het geval je vindt dat ik het iets te onaardig heb neergezet.

[Reactie gewijzigd op zaterdag 08 januari 2011 23:14]


Door Tweakers user H!GHGuY, zondag 09 januari 2011 08:47

mux schreef op zaterdag 08 januari 2011 @ 21:48:
Hoeveel wattjes heb je nu hangen? En on a sidenote: hoe is je kleurtemperatuur? Ik heb gigantische problemen daarmee...
Er hangen binnen op dit moment 9 3x3W spots en 16 3x2W spots voor een totaal van 177W.
Buiten hangen 9 3x2W spots voor nog eens 54W. Voor de hal boven zijn nog 4 3x2W spots en 8 1,3W LEDs besteld voor in totaal een kleine 35W.
Alles samen zal er dus 266W aan LED spots hangen.
Alle spots zijn warm-wit (2600K-2700K) en de lichtkleur bevalt over het algemeen prima.
Enkel de lampen buiten hebben zichtbaar afwijkende kleurtemperatuur (die zijn van een andere shop dan die van binnen). Ik ben van plan om binnenkort een post in het LED-verlichting topic op GoT te maken met daarin alle info, dus misschien hou je die beter in de gaten.

Door Tweakers user BFmango, zondag 09 januari 2011 12:44

PietrKempy schreef op zaterdag 08 januari 2011 @ 22:15:
In Belgie is het zo dat grote stroomverbruikers (fabrieken, scholen met veel machines, etc.) moeten zorgen dat hun cosinus phi niet te laag ligt (zo dicht mogelijk bij 1 dus). Wanneer deze te laag is moet er bij betaald worden. Nu was het volgens mij ook zo dat als je 1 spoel hebt je cos(phi) 0 wordt en je dus heel veel zult moeten betalen, maar een condensator is volledig tegen fase (t.o.v. een spoel) waardoor er bij ons op school dus bij iedere machine (welke vooral veel spoelen bevatten) condensators geplaatst worden om de cos(phi) een beetje binnen de perken te houden. Ik kan er ook helemaal naast zitten (het is ondertussen alweer een dikke 2 jaar geleden dat ik ook nog maar iets technisch gezien heb :p)
Dat was bij ons ook altijd zo, alleen gebruiken ze hiervoor meestal condensatorbatterijen die ze in de centrale schakelkast plaatsen. Daar zitten dan iets van 16 of 32 condensators in die in een trap van 4 of 8 ingeschakeld kunnen worden.

Door Tweakers user golfdiesel, zondag 09 januari 2011 16:15

Eindelijk een nuttige Tweakblog! Erg informatief!

Door Tweakers user ZpAz, zondag 09 januari 2011 19:02

Mooie en interessante post! Het had wel in meerdere delen gemogen van mij, dan had het meer mijn aandacht vastgehouden, ik vond het nu wat te lang om er in ťťn keer doorheen te lopen. Maar complimenten!

Door Tweakers user mux, zondag 09 januari 2011 19:16

ZpAz schreef op zondag 09 januari 2011 @ 19:02:
Mooie en interessante post! Het had wel in meerdere delen gemogen van mij, dan had het meer mijn aandacht vastgehouden, ik vond het nu wat te lang om er in ťťn keer doorheen te lopen. Maar complimenten!
Meerdere proeflezers hebben dit al aangegeven, maar ik kon geen logische plek vinden om het in tweeŽn (of drieŽn) te hakken.

Door Tweakers user Hekking, zondag 09 januari 2011 21:47

mux schreef op zaterdag 08 januari 2011 @ 21:14:

Althans, er staat zowel een blog over m'n 9W core i3-systeem als over voedingen in de steigers, dus wellicht mijn blog nŠ m'n volgende.
Allemachtig , waar haal je alle tijd vandaan naast je studie

Hapklare begrijpelijke info, die blogs van jou, ga zo door ! :)

[Reactie gewijzigd op zondag 09 januari 2011 21:56]


Door Tweakers user PietrKempy, maandag 10 januari 2011 09:38

BFmango schreef op zondag 09 januari 2011 @ 12:44:
[...]
Dat was bij ons ook altijd zo, alleen gebruiken ze hiervoor meestal condensatorbatterijen die ze in de centrale schakelkast plaatsen. Daar zitten dan iets van 16 of 32 condensators in die in een trap van 4 of 8 ingeschakeld kunnen worden.
Ik dacht dat ze bij ons er juist voor kozen dit per machine te doen, aangezien het aantal machines in gebruik heel sterk variabel was/is en de leerkrachten zich niet echt graag bezig hielden met iedere keer de condensators in en uit te schakelen.

[Reactie gewijzigd op maandag 10 januari 2011 09:40]


Door Tweakers user deblaauwn, donderdag 03 februari 2011 20:25

Ik heb net deel 4 gelezen en even door dit deel gebladerd. De complimenten voor de tekst! Als ik dit lees ga ik al bijna weer kijken naar een nieuw moederbord, want mijn zuinige setup gebruikt (nu) 64 W.

Wat me hier opvalt is het gebruik van LaTeX (FTW!). Ben ik een muggenzifter als ik zeg dat ik

code:
1
\frac{P_{\mathrm{nuttig}}}{P_{\mathrm{schijnbaar}}}

zou gebruiken?

Door Tweakers user mux, donderdag 03 februari 2011 20:33

Dank je wel, het is een consequentie van mijn luiheid. Die formules die hier staan heb ik om meerdere redenen een paar keer opnieuw moeten maken, en daar had ik geen zin meer om echt lief te LaTeXen. Wist je trouwens dat de animatie ook in LaTeX is gemaakt? (animate package).

tbh ga ik het niet repareren. Ik heb het een beetje druk en vind eigenlijk dat zodra ik iets gepost heb, het 'final' is (uitgezonderd feitelijke onjuistheden, wijs mij hierop!). Daarom laat ik al mijn techposts ook door minstens 2 andere mensen proeflezen voor ik ze publiceer (en in dit geval 9 mensen).

In ieder geval bedankt voor de opmerking.

Door Tweakers user deblaauwn, vrijdag 04 februari 2011 11:26

Voel je niet aangevallen, ik kan me goed voorstellen dat je voor een 'blogje' niet al je LaTeX-skills uit de kast haalt ;). Het was meer een tip, voor het geval dit je niet bekend was; ik heb in het begin mijn formules ook zo opgesteld.

Het viel me op omdat ik laatst een .doc met soortgelijke formule'fouten' tegenkwam, volgens mij gebruikt MS Word ook LaTeX voor zijn vergelijkingseditor. blijkbaar alleen hetzelfde lettertype.

Door Tweakers user mux, vrijdag 04 februari 2011 11:37

Naaaaaah.... MS Word gebruikt Equation Editor, het ondergeschoven stiefkindje van LaTeX met enkele ernstige genetische afwijkingen. Ik snap eigenlijk nog steeds niet waarom ze eraan vasthouden, de typesetting is nog steeds defect en LaTeX is veel universeler.

Door Tweakers user TheMOD, zaterdag 05 februari 2011 00:19

Oei, dit is toch net iets TE om 12 uur 's nachts! :P Morgen nog maar eens proberen. Je hebt in ieder geval m'n interesse weer opgewekt.

Door Tweakers user motormuis, zaterdag 13 augustus 2011 13:34

Ik moet het nog even op mijn gemak nalezen. Hulde voor zo'n uitgebreide blog met een gedegen uitleg. Dank

Door Borromini, maandag 12 september 2011 17:08

Heel verhelderende blogpost.

Wat phi betreft, blijkbaar hanteert LaTeX een hoofdletter phi, en geen kleine letter.

Door GentleRV, maandag 23 januari 2012 17:03

Ik ben bezig in de praktijk met PFC schakelingen en het observeren van harmonischen in de stroom die een SMPS schakeling maakt
De harmonischen meet ik met een snoer die door een meet spoel heen gaat. De meet spoel is 50 Ohm en aangesloten op een spectrum analyzer.
Wat mij opvalt is dat het spectrum van signalen bijna niet veranderd of ik nu 5 watt of 50 watt door de schakeling laat verbruiken.
Met mijn Digitale Vermogens meter zie ik dat mijn totale vervorming ongeveer 14% bedraagt met een PFC factor van 0.985. Ondanks dat zijn de geproduceerde harmonischen die ik waarneem met de spectrum analyzer tussen de -20 en -60 Db tot 300 MHz. het afgenomen vermogen is nu 5 watt.
Hoe kan ik nu de gemeten waarden omzetten naar nuttige info om de CE keur te halen

Door Tweakers user mux, maandag 23 januari 2012 17:46

Dit is niet helemaal de beste plek om dit soort vragen te stellen, maar vooruit.

Laat ik voorop stellen dat Fluke, Chroma e.d. gewoon IEC 1000 elektrische testers heeft die al het werk voor je doen. Ze meten THD (en noise), harmonic content, PF en DC component en zeggen je of het wel of niet goed is. Als je enkel performance hoeft te verifiŽren voor een CE-sticker is dat voldoende en veel goedkoper dan een engineer aan het testen te zetten. CE is ook maar een stickertje.

Ik ga ervan uit dat je je SMPS volgens NEN/IEC 1000-3-2 wilt testen? Dat is wat sinds jaar en dag min of meer wordt gedaan, maar de standaard is een beetje outdated. Ik ben niet op de hoogte van nu geldende normen, dus je doet er goed aan om na te zoeken welke wet- en regelgeving er is in het gebied waar jij je toepassing wilt verkopen. Dat kan best eens strenger zijn dan deze norm.

IEC 1000-3-2 is sowieso alleen van toepassing op alles tot de 40e harmonische, dus je kunt je spectrum analyzer beperken tot 4kHz. Kijk wel even of daarboven geen gekke dingen gebeuren, vooral in de buurt van de schakelfrequentie van je main switch (zal wel tusen de 60 en 300kHz zitten).

Goed, je meet dus met een 50 ohm ingang op je spectrum analyzer met een meetspoel. Ik weet niet of je dit al doorhad, maar de meetspoel meet ook de 50Hz: deze moet je instellen als 1 (oftewel 0dB). De harmonischen zijn dan relatief aan 50Hz. Je hebt nu de schaal genormaliseerd.

Dat er weinig verschil te zien is tussen 5 en 50W kan heel goed, harmonic content manifesteert zich in de buurt van (parasitaire) resonantiefrequenties, en die zijn constant ongeacht je vermogensvraag. Ook zie je op het scherm weinig verandering terwijl de amplitude best veel verandert, omdat het scherm een logaritmische schaal laat zien (decibels).

Vervolgens ga je zitten kloten met je SMPS over het hele temperatuur- en belastingsbereik om te kijken wanneer hij de meeste emissies produceert. Wat voor filter heb je? Ik neem aan dat er op z'n minst een common mode choke, differential mode choke, X en 2 Y caps in zitten? Heb je een hard schakelende SMPS of een quasiresonante/LLC resonante voeding? In het geval van een hard schakelende SMPS heb je meestal bij lage temperaturen en hoge uitgansvermogens de hoogste emissies. Bij resonante topologieŽn heb je op de grens tussen niet-resonante en resonante operatie (10-15% max vermogen) en lage temperaturen de meeste emissies. Dit is maatgevend voor je testrapport. Vergeet niet om ook andere meetpunten te geven.

Nu maak je een paar uitdraaitjes van je maximale emissies en van een 'typical' scenario. Laat zien dat je apparaat binnen de normen blijft over het gehele temperatuur- en belastingsbereik (maak uitdraaien van de hele performance envelope). That's it.

[Reactie gewijzigd op maandag 23 januari 2012 17:48]


Door Ronald, dinsdag 24 april 2012 09:52

Hallo,

Sorry maar ben geen specialist, in deze maar wie kan mij op een envoudige wijze uitleggen over het volgende: indien ik een LED installatie heb waarin 400 Led modules worden geplaats met een waarde van 0,06Amp en 0,72Watt de totale installatie heeft dus nodig 24Amp en 288Watt hiervoor hebben we een voeding nodig laten we zeggen een 300Watt 12VDC voeding wat is nu leidend in je berekening naar je groepenkast omdat de standaard installatie automaat 16amp. is zal je dan de installatie op meerdere groepen moeten aansluiten?

groet Ronald

Door Tweakers user mux, dinsdag 24 april 2012 09:55

Deze vraag kun je beter op het forum Elektronica stellen.

Door Ronald, dinsdag 24 april 2012 10:01

dank je ga ik doen

Door Gil van Hee, zondag 24 juni 2012 11:37

Indien de THD = 0 , dus geen vervorming, is de PF altijd 1.


Dus nooit geen powerfactor correction mee nodig.

Wat versta je onder true powerfactor?

Door Tweakers user mux, zondag 24 juni 2012 11:44

Wat probeer je te zeggen?

Door Andreas, zondag 09 september 2012 21:04

> *mijn excuses voor het verschillende uiterlijk van de letter phi in de tekst en de (LaTeX-gegenereerde) plaatjes

Je moet $\varphi$ gebruiken in latex, dan zijn ze wel hetzelfde.

Door Tweakers user andru123, maandag 19 november 2012 21:49

kan je aub iets meer vertelen over spectrum-analyser met een geluidskaart?

Door Tweakers user mux, maandag 19 november 2012 21:56

Niet echt, ben momenteel ernstig druk. Zoek eens rond op audio FFT. Een goed begin om te zien hoe je een spectrum analyzer met een geluidskaart kunt maken is door Winamp te installeren en als visualisatie Nullsoft Tiny Fullscreen te gebruiken, dat is in feite een (logaritmische) FFT op het geluid.

Door Joris Duijsters, dinsdag 12 maart 2013 12:06

Weet iemand hoe de power factor internationaal aangeduid wordt?

Door Tweakers user mux, dinsdag 12 maart 2013 12:07

PF, cos phi zijn de meest voorkomende termen.

Reageren is niet meer mogelijk