Was ist Leistungsfaktor? LED-Beleuchtung Leistungsfaktor Schlüsselinformationen

Introductory

Der Leistungsfaktor ist das Verhältnis von Nutzleistung (d. h. das Produkt aus Spannung und Strom) zu Scheinleistung und liegt zwischen 0 und 1. Der Leistungsfaktor von LED-Beleuchtung kann in der Regel 0,95 oder sogar 0,97 bis 0,99 erreichen, weshalb er in der Industrie nicht so viel Aufmerksamkeit erhält wie andere Parameter (z. B. Lichtausbeute, Wattleistung, Linsen usw.).

Es gibt jedoch noch einige herkömmliche Lampen auf dem Markt sowie einige LED-Lampen mit niedrigem Leistungsfaktor. Diese Lampen belasten das Stromnetz stärker, was die Verwendung dickerer Kupferdrähte erfordert, um die Überhitzung der Leitungen und Spannungsabfälle zu verringern, was zu höheren Baukosten für die Kommunen führt. Trotz der Tatsache, dass einige Länder und Regionen zusätzliche Gebühren für Blindleistung erheben, halten wir es für notwendig, den Leistungsfaktor der Stromversorgung zu verbessern.

Zuvor müssen wir verstehen, was der Leistungsfaktor ist und welche Bedeutung er hat. Wir müssen auch wissen, unter welchen Umständen LEDs in Bezug auf den Leistungsfaktor besser abschneiden, da LED-Leuchten nicht immer einen hohen Leistungsfaktor haben.

Was ist der Leistungsfaktor?

Der Leistungsfaktor ist das Verhältnis von Wirkleistung (d. h. das Produkt aus Spannung und Strom) zu Scheinleistung in einem Wechselstromkreis. Er ist ein wichtiger Parameter zur Messung der Effizienz elektrischer Geräte und der Qualität des Stromnetzes. Die Wirkleistung ist die Leistung im System, die tatsächlich zur Verrichtung von Arbeit verwendet wird, während die Scheinleistung die Gesamtleistung des Systems ist, einschließlich der Wirkleistung und der Blindleistung (Leistung, die durch die Phasendifferenz zwischen Strom und Spannung verursacht wird und normalerweise keine nützliche Arbeit verrichtet).

Anhand der Leistungsfaktorformel (Leistungsfaktor = Wirkleistung / Scheinleistung) wissen wir, dass der Wert des Leistungsfaktors zwischen 0 und 1 liegt, was auch den Leistungsfaktor der LED-Beleuchtung einschließt.

Bei einer rein ohmschen Last ist der Leistungsfaktor gleich 1, was bedeutet, dass Spannung und Strom in Phase sind. Das bedeutet, dass der gesamte Strom für nützliche Arbeit verwendet wird und es keine Verschwendung gibt. Bei induktiven Lasten (z. B. Motoren, Transformatoren usw.) und kapazitiven Lasten (z. B. Kondensatoren usw.) hinkt der Strom jedoch der Spannung hinterher oder übersteigt sie, was dazu führt, dass ein Teil der Leistung nicht effektiv genutzt wird und der Leistungsfaktor kleiner als 1 ist. Ein niedriger Leistungsfaktor bedeutet, dass eine große Menge an Blindleistung im Stromkreis vorhanden ist, was die Stromversorgungsverluste in der Leitung erhöht und die Auslastung der Geräte verringert.

Daher trägt die Verbesserung des Leistungsfaktors dazu bei, den Stromverbrauch des Netzes zu senken und die Effizienz der Anlagen sowie die Qualität der Stromversorgung zu verbessern. In der Praxis kann der Leistungsfaktor durch Blindleistungskompensation, Optimierung der Betriebsweise der Anlagen und andere Maßnahmen verbessert werden.

Leistungsfaktor der LED-Beleuchtung - Wirk- und Blindleistung

Warum sind wir über den Leistungsfaktor besorgt?

Der Leistungsfaktor ist in Energiesystemen von entscheidender Bedeutung. Unserer Meinung nach spiegelt sich seine Bedeutung hauptsächlich in den folgenden Aspekten wider:

1. Verbesserte Energienutzung:

Bei einem unkorrigierten Leistungsfaktor (d. h. einem zu niedrigen Leistungsfaktor) kommt es zu einem großen Blindleistungsverlust im Stromnetz. Diese nutzlose Energie wird nicht direkt in nützliche mechanische oder thermische Energie umgewandelt, wenn sie im Stromkreis fließt, sondern sie erzeugt zusätzlichen Strom in den elektrischen Geräten. Dieser zusätzliche Strom heizt die Widerstände in den Geräten auf und erhöht so den Energieverbrauch der Geräte. Eine Verbesserung des Leistungsfaktors verringert dagegen die Blindleistungsverluste und erhöht somit die Energienutzung.

2. Die Belastung des Netzes verringern:

Durch die Verbesserung des Leistungsfaktors der LED-Beleuchtung wird die Blindleistung im Netz reduziert und damit die Netzbelastung verringert. Dies ist wichtig für den stabilen Betrieb des Stromnetzes und hilft, Probleme wie Überlastungen und Störungen im Netz zu vermeiden. Im Gegensatz dazu kann ein niedriger Leistungsfaktor zu einem übermäßigen Strom im Netz führen, was wiederum die Stabilität des Stromnetzes beeinträchtigt.

3. Beeinträchtigt die Leistung der Geräte:

Ein hoher Leistungsfaktor verlängert die Lebensdauer von elektrischen Geräten und verringert die Energieverschwendung. Wenn der Leistungsfaktor zu niedrig ist, wird im Stromkreis eine große Menge nutzloser Arbeit erzeugt, was zu einer starken Erwärmung der elektrischen Geräte führt. Sowohl Netzgeräte als auch stromverbrauchende Geräte mögen keine Umgebung mit hohen Temperaturen. Eine zu hohe Temperatur beschleunigt die Alterung von Bauteilen und führt zu Leistungseinbußen oder sogar zu Schäden. Mit anderen Worten: Ein niedriger Leistungsfaktor verschwendet nicht nur Energie, sondern verursacht auch Schäden an den Geräten.

Niedriger Leistungsfaktor aufgrund unterschiedlicher Lasten

Der niedrige Leistungsfaktor ist hauptsächlich auf die Verwendung von induktiven und kapazitiven Bauteilen zurückzuführen. Geräte können je nach Anzahl der induktiven und kapazitiven Elemente in induktive und kapazitive Lasten eingeteilt werden. Geräte mit mehr induktiven Komponenten sind induktive Lasten, während Geräte mit mehr kapazitiven Komponenten kapazitive Lasten sind.

Rein ohmsche Lasten

Neben induktiven und kapazitiven Lasten gibt es eine Reihe von Geräten, Apparaten und Lampen, die reine Widerstandslasten (d. h. rein ohmsche Lasten) sind. Es handelt sich um Lasten, bei denen der Stromkreis nur ohmsche Komponenten enthält. Bei Erregung erzeugt der Stromkreis nur Wärme und Lichtenergie und wandelt keine elektrische Energie in andere Energieformen um. Bei einer rein ohmschen Last ändern sich Strom und Spannung synchron, d. h., sie sind in Phase. Dies bedeutet, dass es keine Phasendifferenz zwischen Strom und Spannung gibt und der Leistungsfaktor daher gleich 1 ist.

Ein typisches Beispiel für eine rein ohmsche Last ist eine Glühlampe. Wenn eine Glühlampe leuchtet, wird die elektrische Energie hauptsächlich in Wärme und Licht umgewandelt, wobei die Wärme durch den Stromdurchgang durch einen Widerstandsdraht erzeugt wird. Da Glühlampen reine Widerstandslasten sind, liegt ihr Leistungsfaktor nahe bei 1, was bedeutet, dass Glühlampen in der Lage sind, elektrische Energie effizient zu nutzen und in Licht/Wärme umzuwandeln, ohne viel Blindleistung zu erzeugen. Das bedeutet natürlich nicht, dass Glühlampen die höchste Lichtausbeute haben.

induktive Belastung

Induktive Lasten sind Lasten, die eine große Anzahl von induktiven Komponenten im Stromkreis enthalten und eine der Hauptursachen für einen niedrigen Leistungsfaktor in Geräten sind. Zu den induktiven Lasten gehören Motoren, Transformatoren, Drosseln usw., die während des Betriebs ein Magnetfeld erzeugen, das dazu führt, dass der Strom der Spannung hinterherhinkt. Diese Verzögerung führt zu einer Phasendifferenz zwischen Strom und Spannung, die den Leistungsfaktor verringert. Ein typisches Beispiel für eine induktive Last sind HID-Lampen, deren elektromagnetische Vorschaltgeräte von Natur aus induktiv sind, was zu einem Leistungsfaktor führt, der normalerweise bei 0,7 oder sogar unter 0,5 liegt. LED-Lampen fallen ebenfalls in diese Kategorie, obwohl LED-Beleuchtung einen Leistungsfaktor von 0,97 haben kann.

Induktive und kapazitive Lasten

kapazitive Belastung

Kapazitive Lasten sind Lasten mit einer großen Anzahl von kapazitiven Elementen im Stromkreis. Im Gegensatz zu induktiven Lasten führen kapazitive Lasten (z. B. Kondensatoren) dazu, dass der Strom die Spannung übersteigt, wodurch der Leistungsfaktor verbessert wird. Wenn der kapazitive Blindwiderstand jedoch zu groß ist, so dass er größer ist als der induktive Blindwiderstand, dann übersteuert der Strom die Spannung um einen großen Phasenwinkel, was wiederum zu einem Abfall des Leistungsfaktors führt. Häufig werden Geräte wie LED-Steuerungen mit Kondensatoren ausgestattet, um die Blindleistung zu kompensieren und den Leistungsfaktor der LED-Beleuchtung zu verbessern.

Grundlagen des Leistungsfaktors

In den beiden vorangegangenen Abschnitten haben wir gelernt, dass das Vorhandensein von induktiven und kapazitiven Komponenten in Geräten zu einer Verringerung des Leistungsfaktors des Geräts führen kann, aber was sind die konkreten Gründe? Im Folgenden werden die grundlegenden Konzepte in einer allgemeineren Form erläutert.

Wenn induktive Lasten (d. h. Komponenten, die Magnetfelder erzeugen, wie z. B. Motoren, Transformatoren und Induktoren) in einem Gerät vorhanden sind, erzeugt der Strom, der durch diese Geräte fließt, ein Magnetfeld, um Energie zu speichern. Wenn wir uns das Magnetfeld wie einen Eimer und den Strom wie Wasser vorstellen, beginnt das Wasser in den Eimer zu fließen, wenn wir den Wasserhahn aufdrehen, aber der Eimer füllt sich nicht sofort.

Das liegt daran, dass es eine Weile dauert, bis Wasser fließt und einen Eimer füllt. Ähnlich verhält es sich, wenn ein Strom durch eine induktive Last fließt. Er erzeugt ein Magnetfeld innerhalb der Last, aber es dauert eine Weile, bis sich dieses Feld aufbaut. Dieser Strom, der durch den Aufbau des Magnetfelds entsteht, wird “induktiver Blindstrom” genannt.

Dieser Strom wird nicht tatsächlich in Nutzenergie für die Last umgewandelt, sondern im Magnetfeld gespeichert. Zwischen diesem Strom und der Spannung besteht eine Phasendifferenz, d. h. die Spannung hat begonnen, sich zu ändern, aber der Strom hat noch nicht die Größe der Spannungsänderung erreicht.

Bei induktiven Lasten können diese Komponenten (z. B. Elektromotoren) zu einem Anstieg des Energieverbrauchs im Netz führen, auch wenn der Motor selbst nicht so viel Energie verbraucht. Das liegt daran, dass induktive Lasten neben der Wirkleistung auch Blindleistung verbrauchen. Die Blindleistung wird nicht direkt zur Verrichtung von Arbeit verwendet, sondern zur Aufrechterhaltung des Magnetfelds im Gerät.

Durch das Vorhandensein von induktiven Lasten zirkuliert Strom im System, wodurch die Gesamtenergie (Scheinleistung) im System ansteigt. Da induktive Lasten Blindleistung verbrauchen, muss das Netz mehr Strom liefern, um den Bedarf der Geräte zu decken. Dies führt zu einem Anstieg des Energieverbrauchs des Netzes, obwohl der Motor selbst nicht so viel Energie verbraucht.

Daher müssen die Auswirkungen der Blindleistung bei der Auslegung und dem Betrieb induktiver Lasten berücksichtigt werden, um die Effizienz der Geräte zu verbessern und den Energieverbrauch des Netzes zu senken.

Faktoren, die den Leistungsfaktor bei LED-Beleuchtung beeinflussen

In den beiden vorangegangenen Abschnitten haben wir beschrieben, was der Leistungsfaktor ist, warum er wichtig ist und wie sich Unterschiede im Leistungsfaktor auf das Netz auswirken. In diesem Abschnitt erklären wir, welche Faktoren den Leistungsfaktor von LED-Leuchten beeinflussen.

Verwendung von Netzteilen geringerer Qualität

Als Hauptbestandteil der Leuchte hat das LED-Netzteil einen erheblichen Einfluss auf den Leistungsfaktor der LED-Lampe. Dies ist darauf zurückzuführen, dass das Netzteil mehr induktive Komponenten enthält als jedes andere Teil der Leuchte. Allerdings unterscheiden sich die LED-Steuergeräte verschiedener Netzteilhersteller stark in ihrer Leistungsfaktorleistung.

So kann der Leistungsfaktor von Netzteilen der Infinity EUM-Serie 0,97 oder sogar noch höher sein, während der Leistungsfaktor von Netzteilen der MOSO MXG-Serie nur 0,95 erreichen kann. Auch die verschiedenen Serien von LED-Controllern desselben Herstellers unterscheiden sich stark in Bezug auf ihren Leistungsfaktor. Das D4i-Netzteil von Igor EBS-080S105BT2 kann beispielsweise einen PF von 0,98 erreichen.

Unzureichend konfigurierte Stromversorgung

Der Leistungsfaktor ein und desselben Netzteils variiert stark bei verschiedenen Leuchtenkonfigurationen. Hier hängt die Konfiguration der Leuchte hauptsächlich vom Grad der Anpassung zwischen der Last der Leuchte und der LED-Steuerung ab. Aus der nachstehenden Tabelle geht hervor, dass der PF-Wert umso schlechter ist, je kleiner die Last des Geräts ist. Nehmen wir EUM-075S105DG als Beispiel: Bei einer Leuchtenlast von 72 W (Gesamtleistung der Leuchte 80 W) kann der PF-Wert 0,97 erreichen. Wenn die Leuchtenlast auf 60 W reduziert wird, sinkt der PF auf 0,96, und wenn sie weiter auf 50 W reduziert wird, sinkt der PF auf 0,95 oder noch niedriger. An diesem Punkt ist es richtig, das EUM-050-Netzteil zur Steuerung des entsprechenden LED-Moduls zu verwenden, um einen besseren PF-Wert zu erzielen.

Leistungsfaktor des LED-Controllers

Verwendung der Dimmfunktion

Die Dimmfunktion in LED-Leuchten ist weit verbreitet. Obwohl durch Dimmen Energie gespart werden kann, müssen wir auch auf die Auswirkungen auf den Leistungsfaktor (PF) achten. Bei der Straßenbeleuchtung reduzieren LED-Straßenleuchten die Leistung, um eine Überbeleuchtung zu vermeiden, wenn der Verkehr nach Mitternacht abnimmt. Ein weiteres Beispiel ist die Beleuchtung von Lagerhallen, wo LED-Industrieleuchten ihre Leistung an die Raumbelegung (besetzt oder nicht besetzt) anpassen, um unnötige Beleuchtung zu vermeiden.

Normalerweise, wenn der Beleuchtungsbedarf niedrig ist, werden die LED-Leuchten die Leistung reduzieren, indem sie den Ausgang des LED-Controllers ändern, um Energie zu sparen, d.h. die Ausgangsleistung des LED-Controllers reduzieren. Aus dem zweiten Punkt können wir verstehen, dass in diesem Fall der Leistungsfaktor der LED-Lampen reduziert werden kann. Es wird empfohlen, dass in diesem Fall die Leistungsreduzierung 50% nicht überschreiten sollte. Wenn die Leistungsreduzierung mehr als 50% beträgt, ist ein Gleichgewicht zwischen Energieeinsparung und Leistungsfaktorwert erforderlich.

Zusammenfassend

Der Leistungsfaktor ist ein wichtiger Parameter für die Begrenzung der Blindleistung in elektrischen Geräten. Er ist ein Indikator für den Vergleich zwischen Wirk-, Schein- und Blindleistung in den Geräten. LED-Steuergeräte weisen aufgrund des Einsatzes eines internen Leistungsfaktorkorrektors (PFC) eine bessere Leistung in Bezug auf den Leistungsfaktor auf.

Verschiedene Anbieter von LED-Controllern verfügen über unterschiedliche Fähigkeiten in diesem Bereich, und den Herstellern von LED-Leuchten wird empfohlen, diese zu untersuchen. Gleichzeitig sollten wir versuchen, einen niedrigen Leistungsfaktor aufgrund einer unangemessenen Leuchtenkonfiguration (zu geringe Last) zu vermeiden.

Darüber hinaus variieren die Leistungsfaktorwerte von LED-Leuchten unter Volllast und Dimmsystemen erheblich. Wir sind jedoch der Meinung, dass ein niedrigerer Leistungsfaktor der LED-Beleuchtung beim Dimmen im Verhältnis zum verbrauchten Eingangsstrom kein Problem darstellt.