Netvervuiling zorgt voor kwaliteitsdaling van de

Netvervuiling zorgt voor kwaliteitsdaling van de elektriciteitsvoorziening
Auteur: ir M. van der Starre, ISSO
Gevaar van nieuwe lichtbronnen wordt onderschat
Een hoger energiegebruik, sterke warmteontwikkeling en storingen in het elektriciteitsnet of
in apparaten die op het net zijn aangesloten. Het zijn stuk voor stuk problemen die nu, maar
zeker in de komende jaren, vaker zullen optreden door een afnemende ‘power quality’. Tijd
dus om de noodklok te luiden en aandacht te vragen voor de veroorzakers van deze
afnemende power quality. Vooral de vakman zal nieuwe kennis in huis moeten halen om de
signalen te herkennen en installaties te vrijwaren van problemen met power quality.
De belangrijkste verlichtingstrend in het eerste decennium van deze eeuw is de zoektocht
naar steeds energiezuiniger lichtbronnen. De ‘gewone’ gloeilamp van de voorbije eeuw
verspilt energie, zo realiseert iedereen zich inmiddels, dus zoeken we alternatieven. De
spaarlamp deed al in de 20ste eeuw zijn intrede, maar deze bleek slechts het startschot van
de zoektocht. ‘Meer en beter licht voor minder energie’ was en is het motto dat als stuwende
kracht leidde naar nieuwe type verlichtingsbronnen. Het resultaat is dat we nu een zeer
breed assortiment verlichtingtypes hebben, met sterk verschillende eigenschappen,
waardoor het maken van een keuze lastiger wordt. Soms zo moeilijk dat velen juist weer
vasthouden aan de ‘vertrouwde’ lichtbronnen of juist worden verleid door de leverancier die
het beste inspeelt op modetrends of de meest veelbelovende reclame maakt. Waar de
kopers - consumenten én vakmensen - niet of te weinig naar kijken zijn de technische
specificaties van al die nieuwe lampen. Terwijl juist die technische specificaties zeer
bepalend zijn voor het besparen van energie en het voorkomen van storingen.
Technische eigenschappen
Elk type lamp heeft zijn eigen karakteristieken. Zaken als kleurtemperatuur, levensduur,
efficiency en prijs zijn meestal bekend of staan op de verpakking. Maar dat geldt niet voor
technische details als Power Factor (PF) en Harmonic Distortion (HD). Terwijl juist deze
zaken erg belangrijk zijn bij het ontwerp van de installatie en voor de netkwaliteit, de power
quality (PQ). Vooral vakmensen zouden vaker stil moeten staan bij de invloed van
verlichtingsystemen op de power quality in woningen en gebouwen en bij openbare
verlichting. Het is een feit dat diverse nieuwe lichtbronnen specifieke problemen veroorzaken
waarvoor in veel gevallen meerdere oplossingsrichtingen zijn.
De noodzaak om nieuwe verlichtingsbronnen te gaan gebruiken ontstaat door nieuwe
wetgeving die bepaalt dat, vanwege het lage rendement van de klassieke gloeilampen, dit
product binnen drie jaar uit de Europese winkelrekken moet verdwijnen. Een vergelijking van
het lichtrendement en de levensduur van veelgebruikte lichtbronnen staat weergegeven in
tabel 1. Zowel de CFL als de TL-verlichting valt onder de groep fluorescentieverlichting. Dit
type verlichting werkt met een elektronisch voorschakelapparaat (VSA) die soms extern is
geplaatst. Deze wordt vooral in de utiliteit gebruikt. Maar er is ook een groep lampen die
beschikt over een geïntegreerde VSA. Meestal worden deze in huishoudelijke toepassingen
gebruikt. De meeste mensen kennen deze lichtbronnen onder de naam spaarlamp. In de
Europese Ecodesignverodening gebruikt men de term spaarlamp voor alle huishoudelijke,
matte lampen met een hoge energie efficiency (lampen met energielabel A en B). Dus ook
led-lampen vallen daar onder.
Lamptype
Gloeilamp Halogeenlamp CFL
Eigenschap
6-15 lm/W 10-25 lm/W
20-60 lm/W
Lichtrendement
Levensduur
1000 h
2000 - 5000h
5000-
Led
Metaalhalide
10-60 lm/W
40-60 lm/W
25000-
5000 - 9000h
20000h
50000h
Tabel 1. Vergelijking van een tweetal eigenschappen van diverse type lichtbronnen.
Bepaling van het rendement
Het rendement van spaarlampen en led-lampen is onmiskenbaar hoger in vergelijking tot
gloeilampen. Maar binnen het assortiment spaar- en led-lampen zijn er wel flinke verschillen
in rendement. Zo is bijvoorbeeld het rendement van led-lampen met een ‘warmere’
kleurtemperatuur in het algemeen lager dan ‘koude’ leds. Voor de beoordeling van de
efficiency van een verlichtingsinstallatie kijkt men vaak alleen naar de lumen/Wattverhouding. Maar in praktijk is het belangrijker om te kijken of de juiste hoeveelheid licht op
de juiste plaats terecht komt. In dat geval speelt ook het armatuur en de lichtverdeling een
belangrijk rol.
Bepaalt men het rendement vanuit de lumen/Watt (l/W)-verhouding dan is dit voor lampen
die - vanuit het net gezien - een zuivere weerstand zijn (met een zogeheten resistieve
belasting, zoals gloeilampen en halogeenlampen) een correcte benadering. Ook gaat dit
goed bij andere lampen met een ‘goed’ voorschakelapparaat (VSA), waarvan het gedrag een
resistieve belasting benadert. Maar vooral de nieuwe generatie lampen, zowel leds als CFL,
zijn soms verkrijgbaar met kwalitatief veel minder VSA (bij led-lampen vaak ook ‘driver’
genoemd) die zowel los als geïntegreerd aan de lamp is gekoppeld. Vooral bij lampen met
een geïntegreerd VSA is het rendement niet zo eenvoudig vanuit de l/W-verhouding te
bepalen. Dit komt doordat een dergelijk VSA nadelige bijverschijnselen kent die de efficiëntie
van dergelijke lampen nadelig beïnvloedt.
Bron van netvervuiling
VSA’s oftewel drivers met een capacitieve (condensator), inductieve (spoel) en/of nietlineaire (elektronica) werking hebben een stroomafname die niet in fase en/of gelijkvormig is
met de spanning. In dat geval is sprake van een Power Factor (PF) lager dan 1. Naast het
‘werkelijk’ opgenomen vermogen (W) is er dan ook sprake van het schijnbaar vermogen (S).
Daarbij gaat het om stroom dat niet door de lamp wordt afgenomen, maar weer terug het net
opgaat. Zo’n afwijking kan ontstaan door een faseverschuiving tussen stroom en spanning
() of een stroomafname die niet sinusvormig is of een combinatie van beide verschijnselen.
Als de stroomafname een andere vorm heeft dan de spanning veroorzaakt de niet lineaire
belasting harmonische stromen in het net. Harmonische stromen zijn nutteloze stromen op
veelvouden van de 50 Hz netfrequentie. In al deze gevallen spreekt men van netvervuiling.
Het is van belang dat apparaten die op het publieke net zijn aangesloten de netvervuiling
zoveel mogelijk beperken. Netvervuiling veroorzaakt veel negatieve effecten zoals extra
energiegebruik, warmteontwikkeling en storingen. De Power Factor is de verhouding tussen
het werkelijk opgenomen vermogen (P) en het schijnbaar vermogen (S), oftwel PF = P/S,
waarbij S = URMS x IRMS. De PF is altijd een getal tussen 0 en 1. Een faseverschuiving
veroorzaakt een kleinere PF, bekend als cos φ (Displacement Power Factor). In het ideale
geval bedraagt de cos φ van een verlichtingsbron één. Het vermogen dat niet opgenomen
wordt, noemt men blindvermogen (Q). Bij lineaire belastingen geldt Q = S x sin φ.
Power Factor en cos φ
De spanning U, in Volt (V), aangeboden aan een verlichtingsapparaat, heeft normaal een
sinusvorm. Bij een resistieve belasting zal de stroom I, in Ampére (A), opgenomen door een
apparaat, de spanning volledig volgen. We spreken dan van een lineaire belasting zonder
faseverschuiving (cos φ =1). Zodra de afgenomen stroom wel sinusvormig is maar niet in
fase met de spanning (zoals bij motoren en klassieke TL-verlichting), spreken we van een
lineaire belasting met een faseverschuiving. De fasehoek tussen de spanning en de
afgenomen stroom is Phi (φ) (zie figuur 1). Als men de effectieve- of RMS-stroom (Root
Mean Square) meet van klassieke TL-verlichting met een lamp van 36W, komt men
makkelijk aan 0,33 Ampère. 230V x 0,33A = 76VA. De lamp vraagt dus dubbel zoveel
stroom als verwacht. Een deel van de stroom wordt echter niet opgenomen, maar gaat weer
terug het elektriciteitsnet op (het reactieve deel van de stroom). Het actief opgenomen
vermogen (36W) is dan kleiner dan het schijnbaar vermogen S = URMS x IRMS (76VA). De
klant betaalt dan wel alleen voor het werkelijk opgenomen vermogen (en een industriële
klant betaalt ook nog een opslag bij te lage cos φ), maar de gemeten, hogere RMS-stroom
belast wel degelijk het net. Deze hogere RMS-stroom veroorzaakt hogere netverliezen. Dit
betekent hogere kosten voor de netbeheerder. Bij grootschalig gebruik van led-verlichting
met een slechte PF nemen deze netverliezen toe.
S
S
P (+)

P (+)

U
I
I
U
Q (-)
Figuur 1. Verklaring faseverschuiving φ, actief of Watt vermogen P, reactief of blindvermogen
Q en het werkelijk of schijnbaar vermogen S
Power Factor en harmonischen
De Power Factor (PF) is niet alleen afhankelijk van de cos φ. Als de stroom niet dezelfde
vorm heeft als de sinusvormige spanning, spreken we van een niet-lineaire belasting. Deze
gebruikt ook maar een deel van het opgewekte vermogen én veroorzaakt harmonische
stromen in het net, op veelvouden van de 50 Hz netfrequentie. Harmonische stromen
hebben geen nuttige inhoud maar belasten wel het net met een harmonische vervorming
(THD). De THD, ofwel de totale harmonische vervorming, geeft een indicatie van de
harmonische inhoud van de stroom of spanning en is dus een maat voor de vervorming van
de spanning ten opzichte van de normale sinusvorm. Naast de THD, die een maat is voor de
totale harmonische vervorming van de stroom of spanning, is de crestfactor een maat voor
de verhouding tussen de piekwaarde van de stroom of spanning en zijn RMS-waarde. Zo is
de crestfactor van een sinusvormig signaal 1,4. Bij elektronische voorschakelapparatuur die
de stroom vooral in de pieken van de spanning trekt, is de crestfactor hoger.
Figuur 2. Berekening van de crestfactor: voor sinusvormige signalen is deze 1,4. Bij het
ontwerp van een installatie moet men rekening houden met de totale RMS-stroom die bij het
schijnbaar vermogen (S) hoort. De PF van de lichtbronnen zou dan de 1 moeten benaderen.
Problemen met led-lampen
Vooral de led-lampen die we thuis gebruiken, hebben, zo blijkt in de praktijk, een lage PF die
tussen de 0,1 en 0,6 ligt. Een PF van 0,1 betekent dat het werkelijk vermogen (S) dat de
installatie opneemt tien keer zo groot is als het Watt-vermogen (P) dat de lamp nodig heeft.
Een dergelijk lage PF wordt vooral veroorzaakt door de aanwezigheid van harmonische
stromen die niet voldoen aan de gestelde normen. Maar ook bij een gecoördineerde
evaluatie van een pilot met openbare led-verlichting zijn tien led-armaturen van acht
leveranciers doorgemeten. Uit die metingen blijkt dat er nogal wat verschil is in de elektrische
prestaties. De gemeten PF-waarden bij deze armaturen liggen tussen de 0,8 en 0,97 met
één uitschieter naar 0,53. Dit toont aan dat ook bij deze voorschakelapparaten nog een
optimaliseringslag mogelijk en nodig is. Toch is de PF van deze led-armaturen voor
openbare verlichting al duidelijk beter dan de led-lampen die voor huishoudelijk gebruik
worden aangeboden. Dit komt omdat bij openbare verlichting meer ruimte is voor de inbouw
van elektronische componenten (zoals harmonische filters) in het armatuur in vergelijking tot
de ‘gloeilampvervangers’ in woningen.
Te weinig richtlijnen
Er zijn internationale normen (IEC-normen) die limieten stellen aan de mate waarin
apparaten het net mogen vervuilen. Zo geven de Ecodesignverodening en de
aansluitvoorwaarden van netbedrijven grens- en minimumwaarden voor bijvoorbeeld de PF
van apparaten. Maar vaak gaat het dan om apparaten boven de 25 W. Voor led-lampen, die
meestal met kleinere vermogens dan 25 W werken, zijn er (nog) geen wettelijke eisen.
Internationaal bekijkt men nu wel of dit bij de aangekondigde herziening van de
Ecodesignverordeningen moet worden ingebracht. Voor dit moment echter voldoen veel ledlampen voor huishoudelijke verlichting, in tegenstelling tot ‘conventionele’ spaarlampen, niet
aan gestelde limieten. Figuur 3 toont een voorbeeld van de opgenomen stroom door een
‘goede’ en slechte’ led-lamp.
Maar niet alleen de lampen, ook elektronische dimmers veroorzaken harmonischen, doordat
een niet-sinusvormige stroom wordt opgenomen. Deze dimmers nemen namelijk niet tijdens
de gehele sinus vermogen op, maar alleen gedurende een deel van de sinusspanning. Dit
wordt veroorzaakt door de niet-lineaire elementen in deze dimmers, zogeheten thyristoren of
transistoren. Zij regelen het vermogen door het afkappen van de spanning, wat leidt tot een
niet-sinusvormige stroom en harmonischen (zie figuur 4).
Figuur 3. De vorm van de stroom bepaalt de harmonische inhoud; links de grafiek een
‘goede’ ledlamp en rechts van een ‘slechte’.
Thyristordimmer / “leading edge”
Transistordimmer / “trailing edge”
Figuur 4. Een schematische weergave van het afkappen van de spanning in elektronische
dimmers, dat op twee manieren kan gebeuren.
Beperken van netvervuiling
Dat een goede kwaliteit van de spanning op het publieke elektriciteitsnet essentieel is voor
de correcte werking van alle aangesloten apparaten staat buiten enige twijfel. Belangrijk
hierbij is dat alle belastingen op het net zich zo resistief mogelijk gedragen (PF1). Bij
uitgebreide verlichtingsinstallaties met klassieke voorschakelapparaten corrigeert men de PF
(cos φ) met condensatoren in de zogenoemde duo-schakelingen. Maar het corrigeren van de
PF die door harmonische vervorming wordt beïnvloed, is via compensatie van harmonische
erg lastig. Preventie van het ontstaan van de harmonische vervorming bij de bron is veruit de
beste oplossing.
De netvervuiling zorgt, bij grootschalige toepassing, voor extra netverliezen maar kan ook
problemen veroorzaken bij andere apparatuur dat op diezelfde vervuilde netspanning is
aangesloten. Ook wordt de installatie, waarin deze verlichtingssystemen zijn opgenomen,
onnodig zwaar belast. Het schijnbaar vermogen (S) dat de installatie moet verwerken is
namelijk enkele malen groter dan het Watt-vermogen van alle apparaten (lampen) samen.
Ontwerpers zullen hiermee rekening moeten houden. Het meeste risico treedt op bij ledlampen waar het voorschakelapparaat erg klein is. Dat betekent dat bij led-lampen waarin
een VSA is ingebouwd of bij led-armaturen waarbij bijvoorbeeld de lampvoet de VSA bevat,
de kans zeer groot is dat er harmonische stromen ontstaan (zie figuur 5). De fabrikant kan dit
vermijden met filtering, maar dan zou het product groter en duurder worden. In het algemeen
geldt dat led-lampen en –armaturen met een externe driver een betere PF hebben dan leds
met ingebouwde driver. Dit leidt tot de conclusie dat vooral de huishoudelijke, compacte ledlampen van enkele Watts het meest te wantrouwen zijn.
Figuur 5. Stroomverloop van een ongefilterd voorschakelapparaat voor bijvoorbeeld een ledof spaarlamp.
[In KADER]
Cursus Power Quality
ISSO heeft, in opdracht van OTIB, voor de installatiesector een speciale cursus Power
Quality ontwikkeld. Hier worden de problemen die zich voordoen op het terrein van onder
meer de verlichting uitgebreid behandeld, evenals de oplossingen die de installateur kan
bieden. De cursus is vooral bedoeld voor bedrijven die zich op de markt van Power Quality
(PQ) willen begeven. De cursusduur is 4 dagen (1 dag per week). Ieder dag bestaat uit een
theoriedeel en een practicum. Met name de practicummodellen die verschillende
oplossingmethodieken behandelen, bieden belangrijke informatie. Meer informatie vindt u op
www.isso.nl.
[einde kader]
1.4A
I(L)
1.2A
I(C=5.25µF)
1.0A
I(L)+I(C=5.25µF)
0.8A
0.6A
0.4A
0.2A
t 
0.0A
15ms
20ms-0.2A
-0.4A
-0.6A
-0.8A
-1.0A
-1.2A
-1.4A
U
5ms
10ms
i 
u 
350V
300V
250V
200V
150V
100V
50V
0V
-50V0ms
-100V
-150V
-200V
-250V
-300V
-350V
Figuur 6. Blindvermogencompensatie bij TL-verlichting werkt. Hier is te zien dat de stroom uit
het net maar nog maar een klein faseverschil heeft met de netspanning.