Hvad er Effektfaktor? Nøgleoplysninger om LED-belysningens effektfaktor

Introduktion

Effektfaktoren er forholdet mellem nyttig effekt (dvs. produktet af spænding og strøm) og tilsyneladende effekt, og dens værdi varierer fra 0 til 1. Typisk kan effektfaktoren for LED-belysning nå 0,95 eller endda 0,97 til 0,99, så den får ikke så meget opmærksomhed i branchen som andre parametre (f.eks. lyseffektivitet, watt, linser osv.).

Der er dog stadig nogle traditionelle lamper på markedet samt nogle LED-lamper med lav effektfaktor. Disse armaturer lægger en større strømbelastning på nettet, hvilket kræver brug af tykkere kobberledninger for at reducere problemer med overophedning af linjen og spændingsfald, hvilket fører til højere kommunale anlægsomkostninger. På trods af at nogle lande og regioner opkræver ekstra betaling for reaktiv effekt, mener vi, at det er nødvendigt at forbedre effektfaktoren i strømforsyningen.

Før det er vi nødt til at forstå, hvad effektfaktor er, og hvor vigtig den er. Vi er også nødt til at vide, under hvilke omstændigheder LED'er klarer sig bedre med hensyn til effektfaktor, da LED-armaturer ikke altid har en høj effektfaktor.

Hvad er effektfaktor?

Effektfaktoren er forholdet mellem aktiv effekt (dvs. produktet af spænding og strøm) og tilsyneladende effekt i et vekselstrømskredsløb. Det er en vigtig parameter til at måle effektiviteten af elektrisk udstyr og kvaliteten af elsystemet. Aktiv effekt er den effekt i systemet, der rent faktisk bruges til at udføre arbejde, mens tilsyneladende effekt er systemets samlede effekt, inklusive aktiv effekt og reaktiv effekt (effekt forårsaget af faseforskellen mellem strøm og spænding, som normalt ikke udfører nyttigt arbejde).

Med effektfaktorformlen (effektfaktor = aktiv effekt / tilsyneladende effekt) ved vi, at værdien af effektfaktoren er mellem 0 og 1, hvilket også inkluderer effektfaktoren for LED-belysning.

For en rent resistiv belastning er effektfaktoren lig med 1, hvilket betyder, at spændingen og strømmen er i fase. Det betyder, at al strømmen bruges til at udføre nyttigt arbejde, og at der ikke er noget spild. Men for induktive belastninger (f.eks. motorer, transformatorer osv.) og kapacitive belastninger (f.eks. kondensatorer osv.) er strømmen forsinket eller overstiger spændingen, hvilket resulterer i, at noget af strømmen ikke udnyttes effektivt, og effektfaktoren vil være lavere end 1. En lav effektfaktor betyder, at der er en stor mængde reaktiv effekt i kredsløbet, hvilket vil øge strømforsyningstabet i linjen og reducere udnyttelsen af udstyret.

Derfor hjælper en forbedring af effektfaktoren med at reducere strømforbruget i nettet og forbedre udstyrets effektivitet og strømforsyningens kvalitet. I praksis kan effektfaktoren forbedres ved hjælp af reaktiv effektkompensation, optimering af udstyrets driftstilstand og andre foranstaltninger.

LED-belysningens effektfaktor - aktiv og reaktiv effekt

Hvorfor bekymrer vi os om effektfaktoren?

Effektfaktoren er af afgørende betydning i elsystemer. Efter vores mening afspejles dens betydning hovedsageligt i følgende aspekter:

1. Øget energiudnyttelse:

Med en ukorrigeret effektfaktor (dvs. en for lav effektfaktor) er der et stort tab af reaktiv effekt i elsystemet. Denne ubrugelige effekt omdannes ikke direkte til nyttig mekanisk eller termisk energi, når den flyder i kredsløbet, men den genererer ekstra strøm i det elektriske udstyr. Denne ekstra strøm opvarmer modstandene inde i udstyret og øger dermed udstyrets energiforbrug. Omvendt reducerer en forbedring af effektfaktoren tabet af reaktiv effekt og øger dermed energiudnyttelsen.

2. Reducere belastningen på elnettet:

Forbedring af LED-belysningens effektfaktor reducerer den reaktive effekt i nettet og dermed belastningen på nettet. Det er afgørende for en stabil drift af elsystemet og hjælper med at undgå problemer som overbelastning og fejl i nettet. Omvendt kan en lav effektfaktor føre til for høj strøm i nettet, hvilket igen påvirker elsystemets stabilitet.

3. Påvirker udstyrets ydeevne:

En høj effektfaktor forlænger det elektriske udstyrs levetid og reducerer energispild. Når effektfaktoren er for lav, genereres der en stor mængde unyttigt arbejde i kredsløbet, hvilket fører til alvorlig opvarmning af elektrisk udstyr. Både netudstyr og strømforbrugende udstyr bryder sig ikke om miljøer med høje temperaturer. Overdreven temperatur fremskynder aldringen af komponenter, hvilket fører til forringelse af ydeevnen eller endda skader. Med andre ord spilder lav effektfaktor ikke kun energi, men forårsager også skader på udstyret.

Lav effektfaktor på grund af forskellige belastninger

Den lave effektfaktor skyldes hovedsageligt brugen af induktive og kapacitive komponenter. Udstyr kan kategoriseres i induktive og kapacitive belastninger afhængigt af antallet af induktive og kapacitive elementer. Udstyr med flere induktive komponenter er induktive belastninger, mens udstyr med flere kapacitive komponenter er kapacitive belastninger.

Rent resistive belastninger

Ud over induktive og kapacitive belastninger er der en række enheder, apparater og lamper, der er rent resistive (dvs. rene ohmske belastninger). Det refererer til belastninger, hvor kredsløbet kun indeholder resistive komponenter. Når kredsløbet får strøm, producerer det kun varme og lysenergi og omdanner ikke elektrisk energi til andre former for energi. I en rent resistiv belastning ændres strømmen og spændingen synkront, dvs. de er i fase. Det betyder, at der ikke er nogen faseforskel mellem strømmen og spændingen, og derfor er effektfaktoren lig med 1.

Et typisk eksempel på en rent resistiv belastning er en glødelampe. Når en glødelampe er tændt, omdannes elektrisk energi primært til varme og lys, hvor varmen genereres på grund af strømmens passage gennem en modstandstråd. Da glødelamper er rent resistive belastninger, er deres effektfaktor tæt på 1, hvilket betyder, at glødelamper er i stand til effektivt at udnytte elektrisk energi og omdanne den til lys/varme uden at generere en masse reaktiv effekt. Det betyder selvfølgelig ikke, at glødelamper har den højeste lyseffektivitet.

Induktiv belastning

Induktive belastninger er belastninger, der indeholder et stort antal induktive komponenter i kredsløbet og er en af hovedårsagerne til lav effektfaktor i udstyr. Induktive belastninger omfatter motorer, transformatorer og induktorer osv., som genererer et magnetfelt under drift, der får strømmen til at halte bagefter spændingen. Denne forsinkelse forårsager en faseforskel mellem strøm og spænding, hvilket reducerer effektfaktoren. Et typisk eksempel på en induktiv belastning er HID-lamper, hvis elektromagnetiske forkoblinger i sagens natur er induktive, hvilket resulterer i en effektfaktor, der normalt ligger omkring 0,7 eller endda under 0,5. LED-lamper falder også ind under denne kategori, selv om LED-belysning kan have en effektfaktor på 0,97.

Induktive og kapacitive belastninger

kapacitiv belastning

Kapacitive belastninger er belastninger med et stort antal kapacitive elementer i kredsløbet. I modsætning til induktive belastninger får kapacitive belastninger (som f.eks. kondensatorer) strømmen til at overskride spændingen, hvilket forbedrer effektfaktoren. Men hvis den kapacitive reaktans er for stor, så den er større end den induktive reaktans, vil strømmen overskride spændingen med en stor fasevinkel, hvilket igen resulterer i et fald i effektfaktoren. Ofte tilføjes kondensatorer til enheder som LED-regulatorer for at kompensere for reaktiv effekt og forbedre effektfaktoren for LED-belysning.

Grundlæggende om effektfaktor

I de to foregående afsnit lærte vi, at tilstedeværelsen af induktive og kapacitive komponenter i udstyr kan føre til en reduktion af udstyrets effektfaktor, så hvad er de specifikke årsager? Nedenfor forklarer vi de grundlæggende begreber på en mere generel måde.

Når induktive belastninger (dvs. komponenter, der genererer magnetfelter, som f.eks. motorer, transformatorer og induktorer) er til stede i en enhed, genererer den strøm, der passerer gennem disse enheder, et magnetfelt, der lagrer energi. Hvis vi forestiller os magnetfeltet som en spand og strømmen som vand, begynder vandet at strømme ned i spanden, når vi åbner for vandhanen, men spanden bliver ikke fyldt op med det samme.

Det er fordi, det tager et stykke tid for vand at flyde og fylde en spand. På samme måde skaber en strøm, der flyder gennem en induktiv belastning, et magnetfelt inde i belastningen, men det tager tid at opbygge dette felt. Denne strøm, som skyldes etableringen af magnetfeltet, kaldes “induktiv reaktiv strøm”.

Denne strøm omdannes faktisk ikke til nyttig energi for belastningen, men lagres i magnetfeltet. Der er en faseforskel mellem denne strøm og spændingen, dvs. at spændingen er begyndt at ændre sig, men strømmen har endnu ikke nået samme størrelse som spændingsændringen.

I induktive belastninger kan disse komponenter (f.eks. elmotorer) føre til en stigning i energiforbruget på nettet, selv om motoren i sig selv ikke bruger så meget energi. Det skyldes, at induktive belastninger forbruger reaktiv effekt ud over aktiv effekt. Den reaktive effekt bruges ikke direkte til at udføre arbejde, men til at opretholde det magnetiske felt inde i enheden.

På grund af tilstedeværelsen af induktive belastninger cirkulerer der strøm i systemet, hvilket får den samlede energi (tilsyneladende effekt) i systemet til at stige. Da induktive belastninger forbruger reaktiv effekt, er nettet nødt til at levere mere strøm for at opfylde udstyrets behov. Det fører til en stigning i nettets energiforbrug, selv om motoren i sig selv ikke bruger så meget energi.

Derfor skal der tages højde for effekten af reaktiv effekt, når man designer og driver induktive belastninger for at forbedre udstyrets effektivitet og reducere nettets energiforbrug.

Faktorer, der påvirker effektfaktoren i LED-belysning

I de to foregående afsnit har vi beskrevet, hvad effektfaktor er, hvorfor den er vigtig, og hvordan forskelle i effektfaktor påvirker elnettet. I dette afsnit forklarer vi, hvilke faktorer der påvirker LED-armaturers effektfaktor.

Brug af strømforsyninger af lavere kvalitet

Som en vigtig komponent i armaturet har LED-strømforsyningen en betydelig indflydelse på LED-lampens effektfaktor. Det skyldes, at der er flere induktive komponenter i strømforsyningen end i nogen anden del af armaturet. LED-controllere fra forskellige producenter af strømforsyninger varierer dog meget i deres effektfaktorydelse.

For eksempel kan effektfaktoren for strømforsyninger i Infinity EUM-serien nå op på 0,97 eller endnu højere, mens effektfaktoren for strømforsyninger i MOSO MXG-serien kun kan nå op på 0,95. Forskellige serier af LED-controllere fra samme producent varierer også meget med hensyn til deres effektfaktor. For eksempel kan D4i-strømforsyningen fra Igor EBS-080S105BT2 nå en PF på 0,98.

Dårligt konfigureret strømforsyning

Effektfaktoren for den samme strømforsyning varierer meget i forskellige armaturkonfigurationer. Her afhænger armaturkonfigurationen hovedsageligt af graden af matchning mellem armaturets belastning og LED-controlleren. Fra tabellen nedenfor kan vi se, at jo mindre belastningen på armaturet er, jo dårligere er PF-værdien. Hvis vi tager EUM-075S105DG som eksempel, kan PF nå 0,97, når armaturbelastningen er 72W (den samlede armatureffekt er 80W). Hvis armaturbelastningen reduceres til 60W, vil PF blive reduceret til 0,96, og hvis den fortsat reduceres til 50W, vil PF blive reduceret til 0,95 eller endnu lavere. Det rigtige at gøre på dette tidspunkt er at bruge EUM-050-strømforsyningen til at styre det tilsvarende LED-modul for at få en bedre PF-værdi.

Effektfaktor for LED-controller

Brug af dæmpningsfunktion

Dæmpningsfunktionen i LED-armaturer er meget udbredt. Selvom dæmpning kan spare energi, skal vi også være opmærksomme på dens effekt på effektfaktoren (PF). I vejbelysning vil LED-gadelygter reducere strømmen for at minimere overbelysning, når trafikken falder efter midnat. Et andet eksempel er lagerbelysning, hvor LED-industrilamper justerer deres output baseret på rummets belægning (optaget eller ubenyttet) for at reducere unødvendig belysning.

Når belysningsbehovet er lavt, vil LED-armaturerne normalt reducere effekten ved at ændre LED-controllerens udgangseffekt for at spare energi, dvs. reducere LED-controllerens udgangseffekt. Fra det andet punkt kan vi forstå, at i dette tilfælde kan LED-lampernes effektfaktor blive reduceret. Det anbefales, at effektreduktionen i dette tilfælde ikke overstiger 50%. Hvis effektreduktionen er mere end 50%, er det nødvendigt med en balance mellem energibesparelse og effektfaktorværdi.

Opsummering

Effektfaktor er en vigtig parameter til at begrænse reaktiv effekt i elektrisk udstyr, det er en indikator for sammenligningen mellem reel, tilsyneladende og reaktiv effekt i udstyret. LED-controllere klarer sig bedre med hensyn til effektfaktor på grund af brugen af en intern effektfaktorkorrektor (PFC).

Forskellige leverandører af LED-controllere har forskellige evner på dette område, og producenter af LED-armaturer rådes til at undersøge dem. Samtidig bør vi forsøge at undgå lav effektfaktor på grund af urimelig armaturkonfiguration (for lav belastning).

Derudover varierer LED-armaturernes effektfaktorværdier under fuld belastning og dæmpningssystemer betydeligt. Vi mener dog ikke, at en lavere effektfaktor for LED-belysning er et problem under dæmpning i forhold til den indgående strøm, der forbruges.