Kort genomgång av effektberäkningar för lågenergilampor och andra olinjära laster



Relevanta dokument
Mätning av effekter. Vad är elektrisk effekt? Vad är aktiv-, skenbar- reaktiv- medel- och direkteffekt samt effektfaktor?

Föreläsning 8 och 9. insignal. utsignal. Tvåport. Hambley avsnitt

Kapitel 6. f(x) = sin x. Figur 6.1: Funktionen sin x. 1 Oinas-Kukkonen m.fl. Kurs 6 kapitel 1

Lathund, procent med bråk, åk 8

Mätningar på op-förstärkare. Del 3, växelspänningsförstärkning med balanserad ingång.

Vi skall skriva uppsats

Träning i bevisföring

Företagsamhetsmätning Kronobergs län JOHAN KREICBERGS HÖSTEN 2010

Elektronen och laddning

912 Läsförståelse och matematik behöver man lära sig läsa matematik?

Effekt av balansering 2010 med hänsyn tagen till garantipension och bostadstillägg

4-3 Vinklar Namn: Inledning. Vad är en vinkel?

Modul 6: Integraler och tillämpningar

Särskilt stöd i grundskolan

Repetitivt arbete ska minska

Systematiskt kvalitetsarbete

Pesach Laksman är lärarutbildare i matematik och matematikdidaktik vid Malmö högskola.

Kohortfruktsamhetens utveckling Första barnet

Inställning motorskydd för gammal motor Postad av Johan Andersson - 16 maj :31

SF1620 Matematik och modeller

Erfarenheter från ett pilotprojekt med barn i åldrarna 1 5 år och deras lärare

Finns det någon som kan förklara varför man inte kan använda formeln P=U I rotenur3 cosfi på en pump som sitter i en borrad brunn?

Algebra, polynom & andragradsekvationer en pampig rubrik på ett annars relativt obetydligt dokument

Abstrakt. Resultat. Sammanfattning.

Strategier för utbildning på avancerad nivå

Laborativ matematik som bedömningsform. Per Berggren och Maria Lindroth

DOP-matematik Copyright Tord Persson. Bråktal Läs av vilka tal på tallinjen, som pilarna pekar på. Uppgift nr

Aktiv väntan asylsökande i Sverige (SOU 2009:19)

TEKNISKA KRAV FÖR ANSLUTNING AV ELPRODUKTIONSANLÄGGNINGAR

Övningshäfte i matematik för. Kemistuderande BL 05

Får nyanlända samma chans i den svenska skolan?

4-6 Trianglar Namn:..

Sammanfattning på lättläst svenska

Matematik. Bedömningsanvisningar. Vårterminen 2009 ÄMNESPROV. Delprov B ÅRSKURS

Individuellt Mjukvaruutvecklingsprojekt

Arbetsmarknadsläget i Hallands län i augusti månad 2016

Borgarrådsberedningen föreslår kommunstyrelsen besluta följande Som svar på remissen överlämnas och åberopas denna promemoria.

SF1625 Envariabelanalys

Elektricitet och magnetism

Tränarguide del 1. Mattelek.

Ellära. Laboration 1 Mätning av ström och spänning

Begränsad uppräkning av den nedre skiktgränsen för statlig inkomstskatt för 2017

Måttbandet nr 143 januari 2007

Sektionen för Beteendemedicinsk smärtbehandling

Systematiskt kvalitetsarbete

Så kan du arbeta med medarbetarenkäten. Guide för chefer i Göteborgs Stad

Strukturen i en naturvetenskaplig rapport

Hävarmen. Peter Kock

Få jobb förmedlas av Arbetsförmedlingen MALIN SAHLÉN OCH MARIA EKLÖF JANUARI 2013

Mer information om arbetsmarknadsläget i Blekinge län i slutet av januari 2013

Ekvationssystem, Matriser och Eliminationsmetoden

SANNOLIKHET. Sannolikhet är: Hur stor chans (eller risk) att något inträffar.

Sommar och solkraft. Nykarleby Kraftverk Ab Tony Eklund

Partnerskapsförord. giftorättsgods görs till enskild egendom 1, 2. Parter 3. Partnerskapsförordets innehåll: 4

Q1 Hur många undervisningstillfällen har du haft under september månad?

Riktlinjer - Rekryteringsprocesser inom Föreningen Ekonomerna skall vara genomtänkta och välplanerade i syfte att säkerhetsställa professionalism.

Statistik 1 för biologer, logopeder och psykologer

En gemensam bild av verkligheten

När jag har arbetat klart med det här området ska jag:

Bemanningsindikatorn Q1 2015

1 Navier-Stokes ekvationer

Kriterium Kvalitet 1 Kvalitet 2 Kvalitet 3 Kvalitet 4 Använda, Utveckla och uttrycka

Företagsamheten 2014 Västerbottens län

Exempel på tentamensuppgifter i LMA100, del 1

KOMMUNIKATIONSBAROMETERN för företag ATT JOBBA HEMIFRÅN. Rapport september

Referensvärden samtliga undergrupper

Referensvärden samtliga resultatenheter

Kvinnor som driver företag pensionssparar mindre än män

Vi brister i det förebyggande arbetet, liksom att våra insatser för att förstärka värdegrunden i

HT 2011 FK2004 Tenta Lärare delen 4 problem 6 poäng / problem

Mot ett mer jämställt arbetsliv och privatliv?

Något om permutationer

Mötesnoteringar från PTS arbetsgruppmöte om 90-serien

Avgift efter prestation? Komplettering och förtydligande av rapport om fondbolagens avgifter

Projekt benböj på olika belastningar med olika lång vila

Säkert att förvara kärnavfall i berggrunden

Två konstiga klockor

Arbetsförmedlingens verksamhetsstatistik januari 2015

Trepunkts rullbälten i en 68 cab.

Företagsamheten 2014 Örebro län

Ellära. Ohms lag U = R * I. Ett av världens viktigaste samband kallas Ohms lag.

Den inre resistansens betydelse i mätinstrument

Volymer av n dimensionella klot

Översikt. Rapport från skolverket. Förändring av matematikprestationerna Grundtankar bakom Pixel

Presentationsövningar

Tankar om elevtankar. HÖJMA-projektet

Invandrarföretagare om att starta, driva och expandera företagande i Sverige

Index vid lastbilstransporter

Boll-lek om normer. Nyckelord: likabehandling, hbt, normer/stereotyper, skolmiljö. Innehåll

Beräkning av inavelsgrad

Ledamöternas erfarenheter från funktionshinderråden i Stockholms stad en enkätundersökning från mandatperioden

Guide för att hitta markavvattningssamfälligheter och täckdikningsplaner

De två första korten Tidig position

Mer information om arbetsmarknadsläget i Kronobergs län i slutet av april månad 2013

Multimeter och räknare Del 1: Multimetern. Multimeter

L(9/G)MA10 Kombinatorik och geometri Gruppövning 1

PROTOKOLL Svar på motion 2015:07 från Christer Johansson (V) om allmän visstidsanställning KS-2015/516

Föreläsning 1 i Elektronik ESS010

FREDA-farlighetsbedömning

Möbiustransformationer.

Transkript:

TEKNISK RAPPORT Kort genomgång av effektberäkningar för lågenergilampor och andra olinjära laster Math Bollen Martin Lundmark Christer Boije John Åkerlund

009-0-30 Kort genomgång av effektberäkningar för lågenergilampor och andra olinjära laster Luleå tekniska universitet, Elkraft, Campus Skellefteå 009 Math Bollen, Martin Lundmark, John Åkerlund, Christer Boije Rapporten har tagits fram på Energimyndighetens uppdrag, beställare Peter Bennich. 1 (6)

009-0-30 Sinusformig spänning och ström En spänning med momentana spänningsvärdet (t) = ω, där U är spänningens effektivvärde, u U sin ( t) som matar en linjär last ger en momentan ström som är (t) = ωt ϕ, där I är strömmens effektivvärde. i I sin ( ) ϕ är fasvinkeln mellan spänning och ström och beror på om lasten är resistiv (noll), induktiv (positiv) eller kapacitiv (negativ). P = U I cosϕ blir då den aktiva effekten i den linjära lasten. Mäts i watt (W). S = U I kallas för skenbar effekt med enheten voltampere (VA) medan P S = cosϕ är lastens effektfaktor. Dessa begrepp och definitioner är välbekanta för de flesta, men gäller bara vid linjära laster, således ej för lågenergilampor, datorer osv. Begreppet reaktiv effekt har ofta använts förr men leder till missuppfattningar så fort som lasten blir olinjär. Det undviks därför helt i det följande. Olinjära laster Tidigare var linjära laster det vanligaste. Både glödlampor, värmeelement, spisar och motorer kunde nästan alltid betraktas som linjära laster. Numera har vi en starkt ökande mängd olinjära laster både i hushåll och industri. Exempel på sådana är lågenergilampor, TV-apparater, datorer, varvtalsreglerade elmotorer, induktionsspisar, ljusdimmers och mycket annat som kan betecknas som elektroniska laster. Gemensamt för dessa är att de är konstruerade på sådant sätt att om de matas med en sinusformad spänning, så uppvisar strömmen genom dem ingen sinusform och i många fall är strömmen långt ifrån någon en sinusform. Ett exempel visas i figuren. Detta brukar kallas att strömmen innehåller distorsion (distorderad = förvrängd). Då gäller inte längre ovanstående samband mellan aktiv, reaktiv och skenbar effekt. Figuren visar spänning och ström för en lågenergilampa (6)

009-0-30 Allmänt Om man lämnar föreställningen att strömmar och spänningar är sinusformiga så måste man använda de mer grundläggande definitioner som gäller för båda sinusformiga och icke-sinusformiga strömmar och spänningar. Det gäller t ex att spänningens, resp. strömmens effektivvärden beräknas som det kvadratiska tidsmedelvärdet av de momentana ström- och spänningsvärdena: U = 1 0 u ( t) dt (enhet V) och I där T är periodtiden och n är ett positivt heltal. = 1 0 i ( t) dt (enhet A), p( t) = u( t) i( t) är momentana effekten medan medeleffekten är medelvärdet av momentana effekten över en eller flera perioder: 1 P = p() t dt (enhet W) Detta är den aktiva effekten. Definitionen gäller oberoende av 0 kurvformen. S = U I blir den skenbara effekten (enhet VA). P Effektfakt or = (Här kan vi inte använda cos ϕ enligt den förra definitionen) S Detta stämmer ju bra även med definitionerna för linjära belastningar (sinusform). Sambanden som givits för dessa är specialfall av de allmänna enligt ovan. Mätning Det kan tyckas att ovanstående formler är abstrakta och svåra att använda för beräkningar, men det är faktiskt så att många moderna mätinstrument använder just dessa beräkningsgrunder. Det är relativt enkelt att med hjälp av samplande kretsar mäta ögonblicksvärden av spänning och ström med mikrosekunders intervall och sedan programmässigt utföra beräkningarna med hjälp av interpolationer och styckevis linjär integration (piecewise linear integration). Detta ger mätvärden med mycket god noggrannhet oberoende av kurvform. Uppdelning av spänning och ström i grundton och övertoner Det finns emellertid ett annat betraktelsesätt för distorderade kurvformer som kan underlätta både mätning, hantering och förståelse. Enligt fourierteorin kan man dela upp en godtycklig elektrisk kurvform i ett antal komponenter: likströmsnivå samt grundton och övertoner med sinusform och var sin amplitud. Detta grundar sig på föregående allmänna definitioner. 3 (6)

009-0-30 Om det inte finns någon likströmskomponent och om belastningen är symmetrisk kring sin mittlinje, vilket är vanligt, kommer det att enbart finnas grundton ( x1 ) plus ett antal udda övertoner ( x3, x, x7,... osv.). Symmetrikravet (dvs. att lasten uppför sig likadant för positiva och negativa inspänningsvärden) uppfylls t ex om lasten har en helvågslikriktare (brygga) på ingången, något som ofta förekommer. Då blir alltså alla jämna övertoner lika med noll. Endast udda toner blir kvar, där grundtonen får ordningsnumret 1 och har frekvensen lika med nätets 0 Hz. Tredjetonen har på motsvarande sätt frekvensen 10 Hz osv. Någon andraton finns inte. Grundton och övertoner för strömmen till ett typiskt datorkraftaggregat med sk passiv PFC. Fördelen med detta betraktelsesätt är att man kan behandla varje frekvenskomponent för sig vid beräkning av aktiva effekten. Om t ex spänningens :e ton har effektivvärdet U och strömmens :te ton har effektivvärdet I och ligger ϕ grader fasförskjuten i förhållande till spänningen av samma frekvens så är P = U I cosϕ den aktiva effekt som genereras av :te tonen. Observera att endast spännings- och strömtoner med lika ordningsnummer bildar aktiv effekt. P = P + P + P + P... är den totala aktiva effekten. 1 3 7 + Effektivvärdet av spänning resp. ström beräknas som V och I = I1 + I 3 + I +... + I. = U1 + U 3 + U +... + U N N P S = U I och Effektfakt or = blir den skenbara effekten respektive effektfaktorn på samma S sätt som förut. Man brukar definiera övertonshalten i strömmen enligt I H I THD = = 1 THD - Total Harmonic Distortion (%) I1 I1 7 där I H = I 3 + I + I +... + I N, dvs. effektivvärdet av enbart övertonerna. Distorsionens betydelse för effekter och förluster I regel medför distorsion i strömmen att även spänningen blir distorderad i någon mån. Om man har ett starkt matande nät (=låg inre impedans) blir denna distorsion oftast försumbar. Strömmen är distorderad, medan spänningen fortfarande är i det närmaste sinusformad. Då bidrar inte strömmens övertoner till den aktiva effekten eftersom U U, U K 0. 3, 7, = Däremot kommer övertonerna i strömmen att öka strömmens effektivvärde (enl ekvationen ovan), vilket ökar den skenbara effekten. Vid samma aktiva effekt kommer effektfaktorn därmed att minska. En hög övertonshalt (THD) i strömmen ger alltså en låg effektfaktor. 4 (6)

009-0-30 Spelar då detta någon roll? Ja, övertonsströmmarna måste slutas på något sätt. De går via matningsledarna till lågspänningstransformatorn och vållar förluster både där och i ledarna. En viss del sluts förmodligen via andra anslutna belastningsobjekt, men detta är sannolikt en mindre del eftersom den matande transformatorns impedans är låg i förhållande till andra belastningsobjekts, åtminstone för övertoner av lägre ordningsnummer. Förlusterna i matningsledningarna är proportionella mot I. Strömmens THD kan ofta uppgå till 60% eller däröver hos laster som finns i vanliga hushåll, t ex lågenergilampor och kraftenheter för datorer. Man ska dock hålla i minnet att dessa i sig drar ganska lite effekt jämfört med andra alternativ och att konsumenten endast betalar för den aktiva effekten via sin elmätare. Exempel: Ett hushåll med 1 st. 60 watts glödlampor, 7 i varje fas, byter ut dessa mot lika många 11 watts lågenergilampor, vilka ger ungefär samma ljusutbyte. Aktiva effekten minskar från 160 watt (med 1,8 ampere ström per fas, sinusformad) till 31 watt (grundton I 1 = c:a 0,33 ampere, övertoner I H = cirka 0,3 ampere, ger c:a 0,4 A effektivvärde per fas). Matningsledningarnas förluster (aktiv effekt) minskar enligt ovan till ungefär I efter / I av de tidigare före 6% ledningsförlusterna. Effektförbrukningen från belysningen sjunker med över 1000 W och ledningsförlusterna sjunker med 94 % på lampbytet! En bra vinst för hushållet och samhället! Trefaseffekter För trefas tar grundtonerna normalt ut varandra i neutralledaren, om belastningen är någorlunda jämnt fördelad mellan faserna. Följaktligen går det vid linjära laster endast små obalansströmmar i neutralledaren. När det gäller olinjära laster däremot uppträder fenomenet att övertoner av ordningen 3, 9, 1 etc. (sk. triplens ) ligger i fas och adderas i neutralledaren. Förlusterna växer alltså och det finns anledning att tro att nolledarna bör förstärkas, om och då olinjära belastningsobjekt blir dominerande i hushåll och (framför allt) industrier. Dimensioneringen av neutralledaren behöver i många fall vara så att den klarar till och med en större ström än fasledarna. Redan nu dubblerar man ibland nolledarna, t ex vid projektering av datahallar och servercentraler. Lågspänningsdistribution med transformator. Figuren avser att visa vart övertonsströmmarna tar vägen samt att 3:dje-tonskomponenterna adderas i neutralledaren. Mätinstrument Vi har redan konstaterat att det finns effektmätningsinstrument baserade på de allmänna definitionerna, utnyttjande sampling och numerisk integration. Det finns även gott om mätinstrument som gör övertonsanalyser och använder de principer som angivits i det avsnittet. Dessa typer av instrument ger i regel en hyfsad bild av verkligheten, men det finns all anledning att se upp vid mätning eftersom fällorna är många. Om man däremot försöker använda vanliga analoga eller digitala universalinstrument (effektivvärdesmätande eller inte) för mätning på olinjära belastningar får man vara försiktig med tolkningar av resultat, framförallt när man mäter ström. (6)

009-0-30 Hur ökar man effektfaktorn? Som visades förut, så är effektfaktorn förhållandet mellan den aktiva effekten och den skenbara effekten. Den aktiva effekten anger hur mycket användbar effekt som överförs, medan den skenbara effekten är ett mått på hur mycket det påverkar nätet. Effektfaktorn kan därför betraktas som ett effektivitetsmått på energitransporten. Ju högre effektfaktorn är desto högre blir effektiviteten. En lägre effektfaktor ger bland annat högre förluster i nätet vid samma effektöverföring. Det finns två sätt att förbättra effektfaktorn. Dels att minska fasvinkeln mellan spänningens och strömmens grundton, vilket kallas för faskompensering. Här finns sedan länge välbeprövade lösningar, som kondensatorbatterier och shuntreaktorer, men det finns även nya utvecklingar, bland annat baserade på kraftelektronik. Det andra sättet att förbättra effektfaktorn är att minska strömmens distorsion. Det kallas för övertonsfiltrering. Hur minskar man distorsionen? Det finns flera olika sätt att utföra övertonsfiltrering, som alla har sina för- och nackdelar, och experterna har olika åsikter om vilken lösning som är den bästa. Det ska dock påpekas att distorsion i spänning och ström i de flesta fall är tillräckligt låg för att det inte ska uppstå några negativa konsekvenser. De kan också vara så små att det inte är värt att förbättra situationen. Under flera år var behovet av övertonsfiltrering begränsat till industriella anläggningar. Numera är det i många fall elektroniska lågeffektlaster i hushåll och i kontorsområdet, som bidrar mest till distorsionen. Det finns begränsningar i produktstandarder för hur mycket distorsion en last får generera. I de internationella standardiseringsorganen diskuteras frågan löpande. Det finns ändå en rädsla bland experter att ökningen av mängden elektroniska laster i framtiden kan leda till oacceptabla nivåer på distorsion av spänning och ström. Om det skulle inträffa så behövs det ytterligare åtgärder och kanske nya sätt att bygga elnät på. Bland annat diskuteras användning av likström i lågspänningsdistribution, som ett möjligt alternativ. Det skulle lösa många av de problem som elektroniska laster skapar i nuvarande eldistribution. Utbytet av glödlampor mot lågenergilampor, som nu är aktuellt, ger dock inget större problem beträffande distorsionen. Eftersom strömmens effektivvärde kraftigt minskas så ger det samtidigt utrymme för en ökad distorsion av strömmen. Som visades i räkneexemplet kommer nettoeffekten att bli positiv för såväl kunden, elnätet och samhället. 6 (6)

Tryck: Universitetstryckeriet, Luleå ISSN: 140-136 ISBN 978-91-8633-66- Luleå 009 www.ltu.se