Power quality
Wat is Power Quality
We spreken van kwaliteit wanneer een apparaat of dienst aan bepaalde voorwaarden moet voldoen. Zo moet de kwaliteit van de elektriciteit ook aan eisen voldoen. Het gaat over:
• De stabiliteit van de spanning;
• De frequentie;
• De vorm van het signaal.
Een energiebron is nooit ideaal en kan op verschillende manieren van de voorgeschreven waarden afwijken, onder andere door invloeden van de gebruikers.
De sinus kan fase-verschuiving vertonen of fase-vervorming. Daarom bestaat het totaal aan opgenomen vermogen uit: werkelijk nuttig vermogen (wattvermogen), blind vermogen én harmonisch vermogen (een soort blind vermogen; dus geen nuttig vermogen).
Faseverschuiving
Faseverschuiving wordt veroorzaakt door spoelen en condensatoren. Zij wekken blindvermogen op uitgedrukt in var (volt ampère reactief). Dit vermogen wordt continu verplaatst van bron naar belasting en omgekeerd (positief en negatief vermogen) en resulteert in een totaal van nul nuttig vermogen. 
Faseverschuiving.
De elektrische stroom die ten gevolge van de spanning loopt, zal sinusvormig zijn wanneer de elektrische belasting een zogenaamde Ohmse weerstand is: een belasting waarbij spanning en stroom volgens de wet van Ohm van elkaar afhankelijk zijn. (V=IR) Bij inductieve en capacitieve belastingen zal de stroom ten opzichte van de spanning een faseverschuiving vertonen. Deze belastingen vervormen de gondgolf niet. Bij inductieve belasting ijlt de stroom na (is vertraagd in de tijd) ten opzichte van de spanning; bij capacitieve belasting ijlt de stroom voor.
Inductieve belasting
Een inductieve belasting is bijvoorbeeld een spoel. Spoelen komen voor in transformatoren, gasontladingsarmaturen (tl), elektromotoren en relais. Bij deze gebruikers zal de stroom na-ijlen op de spanning: eerst bouwt zich spanning op over de component, pas daarna zal de stroom vloeien. Dit komt doordat de spoel als het ware elke toestandsverandering wil tegenwerken.De elektrische stroom die ten gevolge van de spanning loopt, zal sinusvormig zijn wanneer de elektrische belasting een zogenaamde Ohmse weerstand is: een belasting waarbij spanning en stroom volgens de wet van Ohm van elkaar afhankelijk zijn. Bij inductieve en capacitieve belastingen zal de stroom ten opzichte van de spanning een faseverschuiving vertonen: bij inductieve belasting ijlt de stroom na (is vertraagd in de tijd) ten opzichte van de spanning; bij capacitieve belasting ijlt de stroom voor.
Capacitieve belasting
Een voorbeeld van een capacitieve belasting is een condensator. Condensatoren maken veelal deel uit van elektronische circuits. Ze worden in grotere industriële elektrische installaties in de vorm van condensatorbatterijen of -banken toegepast om de hoofdzakelijk inductieve belasting (veroorzaakt door elektromotoren en transformatoren) door middel van capacitieve belasting te compenseren. Condensatoren worden ook in tl-armaturen ingebouwd om in grotere verlichtingsinstallaties de van nature inductieve belasting te compenseren in de richting van een meer lineaire belasting.
Bij een weerstand kan het vermogen gewoon werkelijk gebruikt worden.
Dus passieve componenten als
1. weerstanden,
2. condensatoren en
3. spoelen
geven eventueel een faseverschuiving, maar de stroom behoudt dezelfde sinusvormige vorm als de spanning. Ze geven een lineaire belasting.
Cosinus φ
In de meeste apparaten moet wisselstroom worden omgezet naar gelijkstroom (waar dan ook 95 % van alle apparatuur mee werkt) – en dat kost weer stroom (verlies van omzetting door bijvoorbeeld trafo’s en spoelen)
Bij dit soort apparatuur is het werkelijk vermogen de volgende rekensom : vermogen = stroom x spanning x cos φ, waarbij het ideaal zou zijn dat cos µ zo dicht mogelijk bij 1 ligt. De werkelijkheid is dat cos φ vaak lager ligt dan 1 (en is dus tevens het verlies).
Omdat de energie maatschappijen alleen ‘zien’ wat zij opwekken (het werkelijke vermogen), en de huishoudens te maken hebben met verlies binnen de apparatuur (cos φ), meet jou KWH meter in huis dus ‘het schijnbaar vermogen’.
Om dit probleem (voor de energie maatschappij en niet voor de consument!) op te lossen, (immers leveren ze jou 100 Watt en jou thuismeter zegt vervolgens dat je maar 95 Watt hebt verbruikt) passen zij enkele trucjes toe om dit nadelige effect voor zichzelf weer op te lossen.
Het kan toch niet zo zijn dat de leveranciers ZELF voor dit verlies moeten opdraaien? Niemand realiseert zich om welke enorme verliezen het hier gaat! Deze voornamelijk ‘verdampte energie’ betalen wij ‘arme’ consumenten zonder we het doorhebben, gewoon terug.
Het totaal aan opgenomen vermogen wordt het schijnbaar vermogen genoemd, dit wordt uitgedrukt in VA. (RMS parameters)
De energieleverancier wil vanzelfsprekend dat de gebruiker betaalt voor wat hij opneemt, dus bij voorkeur is het schijnbaar vermogen gelijk aan het werkelijke vermogen. Hiervoor wordt de arbeidsfactor “cosinus phi” Cos φ gehanteerd. Deze geeft de verhouding tussen het werkelijke (P) en schijnbare (S) vermogen weer. 
Vijf van de negen slimme meters geven in de (reproduceerbare) experimenten een veel hogere waarde aan dan het daadwerkelijke stroomverbruik: tot wel 582 procent hoger in bepaalde opstellingen. Bij twee meters was de waarde juist zo’n 30 procent lager. De grootste afwijkingen traden op als er dimmers in combinatie met spaar- en led lampen waren aangesloten.
Verklaring voor de afwijkende standen is het ontwerp van de energiemeter in combinatie met een toenemend gebruik van moderne (vaak energiezuinige) schakelende apparaten. Hierbij volgt de opgenomen stroom niet meer een perfecte golfbeweging, maar krijgt hij een grilliger patroon. De ontwerpers van de moderne energiemeters hebben onvoldoende rekening gehouden met deze schakelende apparaten.
Fasevervorming
Het gebruik van elektronische apparatuur neemt toe. Die apparatuur werkt op gelijkspanning. Die gelijkspanning beïnvloedt de signaalvorm van de stroom. Dat komt omdat bij de omvorming van wisselspanning naar gelijkspanning verstoring optreedt van de netstroom. Die wordt daardoor niet meer zuiver sinusvormig (blauw). Voor eenzelfde verstoring zorgen eveneens meerdere verlichtingsvormen zoals LED en spaarlampen.
Deze stroom (blauw) is opgebouwd uit een grondgolf (rood) met een aantal golven met een veelvoud van de frequentie van de grondgolf (harmonischen groen en paars) Deze ontwikkelen veelal veel warmte in leidingen en apparatuur.
Als de sinus verandert, zoals bij vrijwel alle apparaten waarin halfgeleiders zijn verwerkt, spreken we van “niet-lineaire belasting”.
Er zitten halfgeleiders in
1. Solid State Relais,
2. Frequentieregelaars,
3. Spaarlampen,
4. Leds,
5. Laptopvoedingen,
6. Diodes en/of
7. Transistors hebben niet-lineaire belasting.
De THD
De factor THD (Total Harmonic Distorsion) geeft de verhouding van het vermogen van de harmonische stromen ten opzichte van de 50 Hz grondgolf. Deze factor geeft in feite aan hoe zeer een signaal afwijkt van de sinusvorm. Die afwijking moet zo klein mogelijk zijn.
Spanningskwaliteit
Binnen de Power Quality worden wordt er vaak over spanningskwaliteit gesproken, omdat de spanning wordt beïnvloed door de stroom. Als het gaat om spanningskwaliteit, kan er onderscheid gemaakt worden tussen tijdelijke en continu optredende verschijnselen.
Continu optredende verschijnselen:
• Spanningsniveau;
• (inter-)Harmonischen;
• Flikkering;
• Onbalans;
• Frequentie.
Tijdelijke verschijnselen:
• Spanningsdips;
• Spanningspieken;
• Spanningsonderbreking;
• Transiënten;
• Toonfrequentsignalen
Flikkering
Flikkering is een periodiek veranderende spanning, waardoor onder ander beeldschermen en verlichting gaat knipperen. De knipperende verlichting kan zelfs tot medische klachten leiden. Dit vindt vooral plaats bij gloeilampen. Om vast te stellen dat er sprake is van flikkering moet er een meting gedaan worden met een meetalgoritme.
De oorzaak van flikkering is het repeterend inschakelen en sterk wisselende belastingen van grote belastingen, bijvoorbeeld lasmachines en vlamboogovens. Ook solar parken en windmolens kunnen de oorzaak zijn, omdat net-impedantie grote invloed heeft op de flikkering. Flikkering is in de meeste gevallen een probleem van de netbeheerder en verbruiker.
Flikkering van verlichting kan geminimaliseerd worden door toepassing van lampen met hoge thermische traagheid of met elektronisch geregelde lampen.
Spanningsdip
Spanningsdips is een plotselinge verlaging van de effectieve waarde van de spanning tot een waarde tussen 90% en 1% van de afgesproken waarde, direct gevolgd door een herstel van deze spanning. De duur van de spanningsdip ligt tussen 10 ms en 1 minuut.
De meeste spanningsdips worden veroorzaakt door:
• Inschakelstromen van grote belastingen;
• Sluitingen of storingen in het net.
Spanningsdips worden vaak niet opgemerkt, maar kunnen zorgen voor uitval van kritische processen of leiden tot kwaliteitsproblemen in de productie. Het kan ook voorkomen dat als gevolg van de spanningsdip er een piekstroom ontstaat, met het inschakelen van beveiligingen als gevolg.
Onbalans
Onbalans in een elektriciteitsnet is eveneens een bron van nadelige invloeden. Onbalans kan veroorzaakt worden door ongelijke belasting van de drie fasen, als een enkel- of tweefasig apparaat aan het net is aangesloten. Onbalans kan ook veroorzaakt worden door het onevenredig verdeeld injecteren van energie, bijvoorbeeld als zonnepanelen terug leveren aan het net.
Zonder onbalans bestaat de belasting uit de drie fasen met een even grote amplitude en een faseverschil van 120°, zie het linker plaatje. 
Bij een onbalans in het systeem zijn de amplitudes niet meer gelijk en/of zijn de fasen verschoven. De maximale afwijkingen zijn in de Netcode Elektriciteit beschreven.
Onbalans zorgt voor:
- Warmteontwikkeling (in nulleider en motor windingen);
- Brom bij transformatoren;
- Onverwacht uitschakelen van beveiligingen;
- Onregelmatig lopen van motoren.
De gevolgen van warmteontwikkeling strekken zich uit naar de bron van het net. Leidingen (vooral de nul geleider) dienen hierdoor een grotere doorsnede te hebben en transformatoren meer capaciteit. Voor de netbeheerder werken deze verschijnselen dus kostenverhogend.
Ook bij de energielevering bij bijvoorbeeld evenementen, waarbij steeds meer gebruik wordt gemaakt van elektronische apparatuur en LED-/laser verlichting, speelt het bovengenoemde een belangrijke rol. De organisator zal bij de aanvraag uitgaan van de opgegeven vermogens van de apparatuur en verlichting en geen rekening houden met de optredende harmonische stromen. De energieleverancier zal hiermee wel rekening moeten houden, uitval is immers bij evenementen “not done”!
Een slechte Power Quality leidt tot:
• Een hogere uitvalkans van apparatuur;
• Hogere onderhoudskosten;
• Levensduurverkorting van apparatuur;
• Meer energieverbruik;
• Het vervallen van garanties;
• De kans op boetes of claims.
EMC-problemen en transciënten
EMC is de afkorting van Elektro Magnetische Compatibiliteit. Compatibiliteit betekend in dit geval verdraagzaamheid of ook wel verenigbaarheid. Als een product Compatibel is dan kunnen diverse elektrische en elektronische producten, zonder verlies van eigenschappen, naast elkaar functioneren. Kan dit niet, dan heb je dus geen compatibiliteit tussen de producten. Met andere worden: dan heb je een EMC probleem. Vaak is dit een gevolg van een niet goed ontworpen of aangelegd aardingssysteem
Dat geldt ook voor problemen met transiënten (= voorbijgaande problemen) Zij vinden plaats door schakelhandelingen en bliksemontladingen. Daarom is een goed aardingssysteem van groot belang om storingen (en gevaarlijke situaties) te voorkomen.
Daarnaast speelt in een gebouw potentiaalvereffening een belangrijke rol om nadelige invloeden te minimaliseren. Aardverbindingen dienen zo kort mogelijk te zijn en het oppervlak tussen aardleidingen en voedende kabels moet zo klein mogelijk gehouden te worden. Het aardingssysteem moet geschikt zijn voor alle functies; het is raadzaam om alle te aarden systemen met elkaar te verbinden.
Power Quality meting bij oplevering en inbedrijfname van een installatie is zeker aan te bevelen, evenals een continue bewaking van de stromen en vermogens op het aansluitpunt.
Preventie levert rendement!
Meten van Power Quality
De parameters van het net zoals spanning, stroom, frequentie, harmonischen, THD, onbalans, vermogen, arbeidsfactor, power factor en vele anderen kunnen gemeten worden met een Power Quality meter.
Het is belangrijk om de juiste meter te kiezen.
Let op!
30% van de meetinstrumenten wordt verkeerd aangesloten.
Hoe zorg je ervoor dat je goed meet?
• Bepaal wat je wilt meten en op welk niveau in de installatie;
• Kies de juiste meter en meettransformatoren;
• Plaats de meetinstrumenten (analysers) op de juiste plaats;
• Sluit de meetinstrumenten goed aan;
• Zorg voor de juiste configuratie van de meetinstrumenten.
Meetapparatuur dient aan gestelde eisen te voldoen. Denk ook aan ESD-veilig werken.
Signalen met frequenties die niet gelijk zijn aan de netfrequentie, zoals uitgangssignalen van frequentieregelaars dienen te worden gemeten met bijvoorbeeld een oscilloscoop.
Door warmteontwikkeling en wervelstromen kan de isolatie van motorwikkelingen in kwaliteit afnemen. Dit kan worden gemeten met een isolatietester.
Warmteontwikkeling kan contactloos worden gemeten met IR-thermometer of warmtebeeldcamera.
Om ervoor te zorgen dat de apparatuur op een net naar behoren werkt liggen de verantwoordelijkheden bij drie partijen:
• De netbeheerder: de geleverde spanning moet van voldoende kwaliteit zijn. Deze moet voldoen aan de kwaliteit zoals beschreven in de Netcode;
• De fabrikant: de apparatuur moet werken binnen de geldende normen en eisen. De apparatuur moet dus bestand zijn tegen de vervuiling binnen de norm;
• De installatieverantwoordelijke (klant): de apparatuur moet op de juiste manier geïnstalleerd worden om te voorkomen dat de garantie vervalt en de levensduur sterk gereduceerd wordt.
Een installatie moet worden ontworpen op basis van de veiligheidsbepalingen van NEN 1010 met in achtneming van Power Quality. Dit vergt een brede kennis van de eigenschappen van alle componenten (beveiligingen, leidingen, transformatoren, toestellen) ten aanzien van aspecten zoals:
• Inschakelstromen;
• Immuniteit tegen spanningsdips;
• Spanningsvariaties;
• Eventuele harmonische stromen;
• De invloed van harmonische spanningen.
Ook de interactie tussen alle toestellen en netcomponenten speelt een grote rol. De impedantie van het net of de leidingen in de installatie zijn hierbij van groot belang.
Impedantie kan gezien worden als een complexe weerstand. Het woord komt van het Latijnse impedire, dat hinderen betekent.
Het begrip impedantie wordt in de elektriciteitsleer gebruikt om te rekenen met spoelen en condensatoren die een tijds- en frequentieafhankelijke weerstand hebben. In het algemeen: het is een begrip dat wordt gebruikt in de beschrijving van een lineaire respons op een tijdsafhankelijk signaal.
Bij het ontwerpen van installaties dient in overleg met alle betrokkenen, rekening te worden gehouden met de beschreven invloeden van niet-lineaire en asymmetrische belastingen:
• Beïnvloeding van andere installaties en gebruikers dient zoveel mogelijk te worden vermeden; vervuilende installaties dienen op een zo sterk mogelijk net (zo laag mogelijke impedantie) of op een hoger niveau te worden aangesloten.
• Blind vermogen dient een zo kort mogelijke weg af te leggen (compensaties toepassen).
• Motoren dienen van een aangepaste startinrichting te worden voorzien.
• Aanbrengen van passieve of actieve filters.
• EMC invloeden kunnen worden geminimaliseerd door juiste afscherming en aarding, alsmede het toepassen van EMC-geschikte materialen zoals EMC wartels, aangepaste kabels in frequentiegeregelde systemen.
• Compenseren van amplitude-onbalans door optimale verdeling over de fasen, compenseren van fase-onbalans door toevoegen van condensatoren of spoelen (alleen blindvermogen).
• Toepassing van k-factor transformatoren; deze zijn speciaal ontworpen om de opwarmingseffecten door harmonische stromen te weerstaan.
https://youtu.be/HugYIzvcJrc
Wetgeving
Binnen openbare netten De minimale kwaliteit van de spanning is in Nederland vastgelegd in de Netcode. Deze is afgeleid van de EN 50160.
Binnen de Europese Norm EN 50160 wordt bijvoorbeeld gesteld dat de spanning gedurende 99% van de tijd niet meer dan 10% mag afwijken van de nominale waarde gedurende een beschouwingsperiode van één week.
De grenswaarden binnen de Netcode zijn strenger dan die in de EN 50160.
Binnen niet-openbare netten geeft IEC 61000-2-4 de grenswaarden voor de spanningen in niet-openbare netten tot 35 kV.
De kwaliteit van de spanning die wordt geleverd aan een apparatuur moet voldoen aan de IEC 61000-2-4 norm.
Bij overschrijding van de normwaarden kan de machine of installatie (versneld) uitvallen en zijn garantieregelingen niet meer van toepassing.
Hiermee is de IEC 61000-2-4 ook een immuniteitsrichtlijn geworden voor machinebouwers.
Randvoorwaarden stroom
Spanning en stroom beïnvloeden elkaar. Een slechte stroomkwaliteit leidt tot een slechte spanningskwaliteit door de impedantie van de installatie. Daarom worden er eisen gesteld aan de maximale stroomvervuiling die apparaten mogen veroorzaken. Twee van deze eisen zijn:
• EN 61000-3-2 norm: Maximale harmonische stromen (I<16A per fase);
• EN 61000-3-12 norm: Maximale harmonische stromen (16>I<75A per fase).
We moeten er allemaal aan werken het probleem van wisselende spanningskwaliteit op te lossen.
Power quality gaat over
- schijnbaar vermogen
- werkelijk vermogen
- blind vermogen
- arbeidsfactor
- compensatie
- hogere harmonischen
- filtering van vervuiling
Bij de berekeningen naar ‘verbruikt vermogen’ hanteert elke energiemaatschappij ogenschijnlijk 2 factoren nl.: Vermogen = stroom x spanning.
Echter bestaat er zoiets als ‘werkelijk vermogen’ en ‘schijnbaar vermogen’. Er is nl. een derde factor die een rol speelt: “De zgn. cos phi (cosinus fie)”.
Simpel uitgelegd kan je dit zien als de verliesfactor die zal plaatsvinden bij de wisselstroom omzetting naar gelijkstroom. En zoals je (mogelijk) weet zijn er heel weinig (geen?) huishoudelijk apparaten te vinden die ‘in basis’ op wisselstroom werken, maar op gelijkstroom! Gek, als je bedenkt dat al je huishoudelijke apparatuur rechtstreeks op de 230 volt wisselstroom moet aansluiten….
Hopelijk levert iemand hier ooit meer voor aan. Mail