Mi a Teljesítménytényező? LED világítás teljesítménytényező kulcsfontosságú információk

IBevezető

A teljesítménytényező a hasznos teljesítmény (azaz a feszültség és az áram szorzata) és a látszólagos teljesítmény hányadosa, értéke 0 és 1 között mozog. A LED-es világítás teljesítménytényezője általában elérheti a 0,95-öt, sőt a 0,97-0,99-et is, ezért az iparágban nem kap akkora figyelmet, mint más paraméterek (pl. fényhasznosítás, teljesítmény, lencsék stb.).

A piacon azonban még mindig vannak hagyományos lámpák, valamint néhány alacsony teljesítménytényezőjű LED-lámpa. Ezek a lámpatestek nagyobb áramterhelést jelentenek a hálózatra, ami vastagabb rézvezetékek használatát teszi szükségessé a vezeték túlmelegedésének és a feszültségesés problémáinak csökkentése érdekében, ami magasabb önkormányzati építési költségekhez vezet. Annak ellenére, hogy egyes országokban és régiókban a reaktív teljesítményért felárat számítanak fel, úgy véljük, hogy szükséges az áramellátás teljesítménytényezőjének javítása.

Ezt megelőzően meg kell értenünk, hogy mi a teljesítménytényező és annak fontossága. Azt is tudnunk kell, hogy a LED-ek milyen körülmények között teljesítenek jobban a teljesítménytényező szempontjából, mivel a LED-es lámpatestek nem mindig rendelkeznek magas teljesítménytényezővel.

Mi az a teljesítménytényező?

A teljesítménytényező az aktív teljesítmény (azaz a feszültség és az áram szorzata) és a látszólagos teljesítmény aránya egy váltakozó áramú áramkörben. Fontos paraméter az elektromos berendezések hatékonyságának és a villamosenergia-rendszer minőségének mérésére. Az aktív teljesítmény a rendszerben lévő, ténylegesen munkára használt teljesítmény, míg a látszólagos teljesítmény a rendszer teljes teljesítménye, beleértve az aktív teljesítményt és a reaktív teljesítményt (az áram és a feszültség közötti fáziskülönbség okozta teljesítmény, amely általában nem végez hasznos munkát).

A teljesítménytényező képletével (teljesítménytényező = aktív teljesítmény / látszólagos teljesítmény) tudjuk, hogy a teljesítménytényező értéke 0 és 1 között van, ami a LED-es világítás teljesítménytényezőjét is magában foglalja.

Tisztán ellenállásos terhelés esetén a teljesítménytényező 1, ami azt jelenti, hogy a feszültség és az áram fázisban van. Ez azt jelenti, hogy az összes áramot hasznos munkára használják fel, és nincs pazarlás. Induktív terhelések (pl. motorok, transzformátorok stb.) és kapacitív terhelések (pl. kondenzátorok stb.) esetén azonban az áram elmarad vagy meghaladja a feszültséget, ami azt eredményezi, hogy a teljesítmény egy része nem hasznosul hatékonyan, és a teljesítménytényező alacsonyabb lesz, mint 1. Az alacsony teljesítménytényező azt jelenti, hogy az áramkörben nagy mennyiségű reaktív teljesítmény van, ami növeli a vezeték áramellátási veszteségeit és csökkenti a berendezés kihasználtságát.

Ezért a teljesítménytényező javítása segít csökkenteni a hálózat energiafogyasztását, és javítja a berendezések hatékonyságát és az áramellátás minőségét. A gyakorlatban a teljesítménytényezőt a reaktív teljesítmény kompenzálásával, a berendezések üzemmódjának optimalizálásával és egyéb intézkedésekkel lehet javítani.

LED világítás teljesítménytényező - aktív és reaktív teljesítmény

Miért aggódunk a teljesítménytényező miatt?

A teljesítménytényező létfontosságú a villamosenergia-rendszerekben. Véleményünk szerint fontossága elsősorban a következő szempontokban nyilvánul meg:

1. Fokozott energiafelhasználás:

Korrigálatlan (azaz túl alacsony) teljesítménytényező esetén a villamosenergia-rendszerben nagymértékű reaktív teljesítményveszteség keletkezik. Ez a haszontalan teljesítmény nem alakul át közvetlenül hasznos mechanikai vagy hőenergiává, amikor az áramkörben áramlik, hanem extra áramot generál az elektromos berendezésekben. Ez a többletáram felmelegíti a berendezésben lévő ellenállásokat, így növeli a berendezés energiafogyasztását. Ezzel szemben a teljesítménytényező javítása csökkenti a reaktív energiaveszteségeket, és így növeli az energiafelhasználást.

2. Csökkentse a hálózat terhelését:

A LED-es világítás teljesítménytényezőjének javítása csökkenti a reaktív teljesítményt a hálózatban, ezáltal csökkentve a hálózat terhelését. Ez alapvető fontosságú a villamosenergia-rendszer stabil működéséhez, és segít elkerülni az olyan problémákat, mint a túlterhelés és a hálózati hibák. Ezzel szemben az alacsony teljesítménytényező túlzott áramot eredményezhet a hálózatban, ami viszont befolyásolja az energiarendszer stabilitását.

3. Befolyásolja a berendezés teljesítményét:

A magas teljesítménytényező meghosszabbítja az elektromos berendezések élettartamát és csökkenti az energiapazarlást. Ha a teljesítménytényező túl alacsony, nagy mennyiségű haszontalan munka keletkezik az áramkörben, ami az elektromos berendezések súlyos felmelegedéséhez vezet. Mind a hálózati berendezések, mind az áramfelhasználó berendezések nem szeretik a magas hőmérsékletű környezetet. A túlzott hőmérséklet felgyorsítja az alkatrészek öregedését, ami teljesítményromláshoz vagy akár károsodáshoz vezet. Más szóval az alacsony teljesítménytényező nemcsak energiát pazarol, hanem a berendezésekben is kárt okoz.

Alacsony teljesítménytényező a különböző terhelések miatt

Az alacsony teljesítménytényező elsősorban az induktív és kapacitív alkatrészek használatának köszönhető. A berendezések az induktív és kapacitív elemek számától függően induktív és kapacitív terhelésekre oszthatók. A több induktív elemet tartalmazó berendezések induktív terhelések, míg a több kapacitív elemet tartalmazó berendezések kapacitív terhelések.

Tisztán ellenállásos terhelések

Az induktív és kapacitív terhelések mellett számos olyan eszköz, készülék és lámpa is létezik, amely tisztán ellenállásos (azaz tiszta ohmos terhelés). Olyan terhelésekre utal, ahol az áramkör csak ellenállásos komponenseket tartalmaz. Az áramkör feszültség alatt csak hő- és fényenergiát termel, és nem alakítja át az elektromos energiát más energiaformákká. A tisztán ellenállásos terhelésben az áram és a feszültség szinkronban változik, azaz fázisban van. Ez azt jelenti, hogy az áram és a feszültség között nincs fáziskülönbség, ezért a teljesítménytényező egyenlő 1-gyel.

A tisztán ellenállásos terhelés tipikus példája az izzólámpa. Az izzólámpa meggyújtásakor az elektromos energia elsősorban hővé és fénnyé alakul át, ahol a hő az ellenálláshuzalban folyó áram áthaladása miatt keletkezik. Mivel az izzólámpák tisztán ellenállásos terhelések, teljesítménytényezőjük közel 1, ami azt jelenti, hogy az izzólámpák képesek hatékonyan felhasználni az elektromos energiát, és azt fényre/hőre alakítani anélkül, hogy sok reaktív teljesítményt termelnének. Természetesen ez nem jelenti azt, hogy az izzólámpák rendelkeznek a legnagyobb fényhasznosítással.

induktív terhelés

Az induktív terhelések olyan terhelések, amelyek nagyszámú induktív összetevőt tartalmaznak az áramkörben, és a berendezések alacsony teljesítménytényezőjének egyik fő oka. Az induktív terhelések közé tartoznak a motorok, transzformátorok, induktorok stb., amelyek működés közben mágneses mezőt hoznak létre, ami miatt az áram lemarad a feszültségtől. Ez a késés fáziskülönbséget okoz az áram és a feszültség között, ami csökkenti a teljesítménytényezőt. Az induktív terhelés tipikus példája a HID-lámpák, amelyek elektromágneses előtétei eredendően induktívak, ami általában 0,7 körüli vagy akár 0,5 alatti teljesítménytényezőt eredményez. A LED-lámpák szintén ebbe a kategóriába tartoznak, bár a LED-es világítás teljesítménytényezője akár 0,97 is lehet.

Induktív és kapacitív terhelések

kapacitív terhelés

A kapacitív terhelések olyan terhelések, amelyekben nagyszámú kapacitív elem található az áramkörben. Az induktív terhelésekkel ellentétben a kapacitív terhelések (például a kondenzátorok) az áramnak a feszültséget meghaladó áramot okoznak, így javítva a teljesítménytényezőt. Ha azonban a kapacitív reaktancia túl nagy, így nagyobb, mint az induktív reaktancia, akkor az áram nagy fázisszöggel túllépi a feszültséget, ami ismét a teljesítménytényező csökkenését eredményezi. Gyakran adnak kondenzátorokat az olyan eszközökhöz, mint a LED-vezérlők, hogy kompenzálják a reaktív teljesítményt és javítsák a LED-világítás teljesítménytényezőjét.

A teljesítménytényező alapjai

Az előző két részben megtudtuk, hogy az induktív és kapacitív komponensek jelenléte a berendezésekben a berendezés teljesítménytényezőjének csökkenéséhez vezethet, de mi ennek a konkrét oka? Az alábbiakban az alapfogalmakat általánosítva magyarázzuk el.

Ha egy eszközben induktív terhelések (azaz mágneses mezőt generáló alkatrészek, például motorok, transzformátorok és induktorok) vannak jelen, az ezeken az eszközökön áthaladó áram mágneses mezőt hoz létre, amely energiát tárol. Ha a mágneses mezőt egy vödörnek, az áramot pedig víznek képzeljük el, akkor amikor megnyitjuk a csapot, a víz elkezd folyni a vödörbe, de a vödör nem telik meg azonnal.

Ez azért van, mert a víznek időbe telik, amíg a vödör megtelik. Hasonlóképpen, amikor áram folyik át egy induktív terhelésen, mágneses mezőt hoz létre a terhelés belsejében, de ennek a mezőnek időbe telik, amíg felépül. Ezt a mágneses mező kialakulása miatti áramot “induktív reaktív áramnak” nevezzük.

Ez az áram valójában nem alakul át a terhelés számára hasznos energiává, hanem a mágneses mezőben tárolódik. Ezen áram és a feszültség között fáziskülönbség van, azaz a feszültség már elkezdett változni, de az áram még nem érte el a feszültségváltozás nagyságát.

Induktív terhelések esetén ezek az összetevők (pl. villanymotorok) a hálózat energiafogyasztásának növekedéséhez vezethetnek, még akkor is, ha maga a motor nem fogyaszt olyan sok energiát. Ez azért van, mert az induktív terhelések az aktív teljesítmény mellett reaktív teljesítményt is fogyasztanak. A reaktív teljesítményt nem közvetlenül munkavégzésre használják, hanem a mágneses mező fenntartására az eszközben.

Az induktív terhelések jelenléte miatt áram kering a rendszerben, ami a rendszerben lévő összes energia (látszólagos teljesítmény) növekedését okozza. Mivel az induktív terhelések reaktív teljesítményt fogyasztanak, a hálózatnak több áramot kell szolgáltatnia a berendezések igényeinek kielégítéséhez. Ez a hálózat energiafogyasztásának növekedéséhez vezet, még akkor is, ha maga a motor nem fogyaszt olyan sok energiát.

Ezért a berendezések hatékonyságának javítása és a hálózati energiafogyasztás csökkentése érdekében az induktív terhelések tervezésénél és üzemeltetésénél figyelembe kell venni a reaktív teljesítmény hatását.

A LED-es világítás teljesítménytényezőjét befolyásoló tényezők

Az előző két szakaszban leírtuk, hogy mi a teljesítménytényező, miért fontos, és hogyan hatnak a teljesítménytényező-különbségek a hálózatra. Ebben a szakaszban elmagyarázzuk, hogy milyen tényezők befolyásolják a LED-es lámpatestek teljesítménytényezőjét.

Gyengébb minőségű tápegységek használata

A lámpatest fő alkotóelemeként a LED tápegység jelentős hatással van a LED-lámpa teljesítménytényezőjére. Ez annak köszönhető, hogy a tápegységben több induktív alkatrész található, mint a lámpatest bármely más részében. A különböző tápegység-gyártók LED-vezérlői azonban nagymértékben eltérnek teljesítménytényezőjükben.

Például az Infinity EUM sorozatú tápegységek teljesítménytényezője elérheti a 0,97-et vagy még magasabb értéket is, míg a MOSO MXG sorozatú tápegységek teljesítménytényezője csak 0,95 lehet. Ugyanazon gyártó LED-vezérlők különböző sorozatai is nagymértékben eltérnek teljesítménytényezőjük teljesítménye tekintetében. Például az Igor EBS-080S105BT2 D4i tápegységének PF értéke elérheti a 0,98-as értéket.

Rosszul konfigurált tápegység

Ugyanazon tápegység teljesítménytényezője nagymértékben eltér a különböző lámpatest-konfigurációkban. Itt a lámpatest-konfiguráció elsősorban a lámpatest terhelése és a LED-vezérlő közötti illeszkedés mértékétől függ. Az alábbi táblázatból látható, hogy minél kisebb a lámpatest terhelése, annál rosszabb a PF-érték. Az EUM-075S105DG példáján, ha a lámpatest terhelése 72 W (a lámpatest teljes teljesítménye 80 W), a PF elérheti a 0,97-et. Ha a lámpatest terhelése 60W-ra csökken, a PF 0,96-ra csökken, és ha tovább csökken 50W-ra, a PF 0,95-re vagy még alacsonyabbra csökken. Ilyenkor az a helyes, ha az EUM-050 tápegységgel vezérli a megfelelő LED-modult, hogy jobb PF-értéket kapjon.

A LED-vezérlő teljesítménytényezője

A fényerőszabályozó funkció használata

A LED-es lámpatestek fényerőszabályozó funkcióját széles körben használják. Bár a fényerőszabályozással energiát takaríthatunk meg, figyelnünk kell a teljesítménytényezőre (PF) gyakorolt hatására is. Az útvilágításban a LED-es közvilágítás csökkenti a teljesítményt, hogy minimalizálja a túlvilágítást, amikor éjfél után csökken a forgalom. Egy másik példa a raktárvilágítás, ahol a LED-es ipari lámpák a térfoglaltság (foglalt vagy nem foglalt) alapján állítják be a teljesítményüket, hogy csökkentsék a felesleges világítást.

Általában, amikor a világítási igény alacsony, a LED-es lámpatestek a LED-vezérlő kimeneti teljesítményének megváltoztatásával csökkentik a teljesítményt, hogy energiát takarítsanak meg, azaz csökkentik a LED-vezérlő kimeneti teljesítményét. A második pontból megérthetjük, hogy ebben az esetben a LED-lámpák teljesítménytényezője csökkenhet. Ajánlott, hogy ebben az esetben a teljesítménycsökkentés ne haladja meg az 50% értéket. Ha a teljesítménycsökkentés meghaladja az 50% értéket, akkor egyensúlyt kell teremteni az energiatakarékosság és a teljesítménytényező értéke között.

Összefoglalja

A teljesítménytényező fontos paraméter az elektromos berendezések reaktív teljesítményének korlátozására, a berendezésben lévő valós, látszólagos és reaktív teljesítmény összehasonlításának mutatója. A LED-vezérlők a belső teljesítménytényező-korrektor (PFC) használata miatt jobban teljesítenek a teljesítménytényező tekintetében.

A különböző LED-vezérlő-szállítók különböző képességekkel rendelkeznek ezen a területen, és a LED-es lámpatestek gyártóinak ajánlatos megvizsgálni őket. Ugyanakkor meg kell próbálni elkerülni az ésszerűtlen lámpatest-konfiguráció (túl alacsony terhelés) miatti alacsony teljesítménytényezőt.

Ezenkívül a LED-es lámpatestek teljesítménytényező-értékei teljes terhelés és dimmelő rendszerek esetén jelentősen eltérnek. Úgy véljük azonban, hogy a LED-es világítás alacsonyabb teljesítménytényezője a felvett bemeneti áramhoz képest nem jelent problémát a dimmelés során.