Wat is die drywingsfaktor en waarom is dit belangrik? – KragDag Gemeenskap
Almal wat in die fisikaklas opgelet het, sal onthou dat elektriese drywing (watt), die produk is van elektriese stroom (ampère) en elektriese spanning (volt). Die wiskundige vergelyking is P = V x I. ‘n Weerstandslas wat aan ‘n 12 volt battery gekoppel is en waar ‘n gelykstroom van 1 ampère deur die las vloei dissipeer 12 watt. As ons egter met wisselstroom begin werk is dit meer ingewikkeld om drywing in ‘n las of die vermoë van ‘n opwekker te bepaal as om net spanning met stroom te vermenigvuldig.
So het ek byvoorbeeld ‘n 3,5 kVA (kilovolt-ampère) kragopwekker, maar die opwekker kan net 3,5kW (kilo-watt) lewer aan ‘n suiwer weerstandslas soos byvoorbeeld ‘n ketel. Sodra ‘n induktiewe las soos ‘n elektriese motor daaraan koppel word, is die drywing wat die opwekker kan lewer minder as 3,5 kW. Die rede vir hierdie verskynsel het te doen met die belangrike onderwerp van die drywingsfaktor ( power factor). Die drywingsfaktor word gedefinieer as die verhouding van die werklike drywing (real power) wat in die las gedissipeer word tot ‘n skyndrywing (apparent power) wat in die elektriese baan vloei. Werklike drywing word in watt (W) gemeet en kan arbeid verrig. In die voorbeeld is die volt-ampère grootheid die skyndrywing. Die werklike drywing in watt is egter ‘n grootheid gelykstaande of kleiner as die skyndrywing wat afhang van die las wat aan die opwekker gekoppel is.
Ter aanvang van die artikel is dit belangrik om daarop te let dat daar deesdae tussen twee tipes drywingsfaktore onderskei word. Die eerste is die sogenaamde verskuiwings-drywingsfaktor (displacement power factor) en die verwringings-drywingsfaktor (distortion power factor). ‘n Verskuiwings-drywingsfaktor kom in liniêre elektriese kringe voor waar beide die stroom en die spanning se golfvorm sinusvormig is en waar die las ‘n weerstand, kapasitor en/of ‘n induktor is. Die verwringings-drywingsfaktor kom hoofsaaklik voor in elektriese kringe waar die stroom- en/of spanningsgolfvorm nie-sinusvormig is en waar dit aanleiding gee tot spanning en stroom harmonieke op hoër frekwensies as die fundamentele wisselstroomfrekwensie.
Kom ons bepaal vir eers ons aandag by ‘n wisselstroomkragbron wat aan ‘n suiwer weerstandslas soos ‘n verwarmer of ketel gekoppel is. Volgens tipiese Suid-Afrikaanse standaarde is die spanning 220-240V en die wisselstroomfrekwensie is 50Hz. Indien ons die spanning en stroom op ‘n ossiloskoop sou vertoon, sal gesien word dat beide die spanning en die stroom ‘n suiwer sinusgolfvorm vertoon (Figuur 1) en dat beide die golfvorms in fase is. Dit beteken dat beide spanning en stroom golfvorms op dieselfde oomblik maksimum positief is, dan saam deur die nulpunt beweeg en weer saam maksimum negatief word. In die geval van ‘n suiwer weerstandslas kan wisselstroomspanning met -stroom vermenigvuldig word om die werklike drywing in die weerstandslas te bereken.
Sou ons egter ‘n suiwer reaktiewe las (dws ‘n induktor of ‘n kapasitor) aan die wisselstroomkragbron koppel gebeur ‘n vreemde ding! ‘n Suiwer kapasitiewe las veroorsaak dat die spanningsgolfvorm ‘n kwartgolflengte (90°) relatief tot die stroomgolfvorm vorentoe skuif soos in Figuur 2 gesien kan word. Daar word van ‘n 90° faseverskuiwing gepraat. Vir ‘n suiwer induktiewe las verskuif die stroomgolfvorm 90° vorentoe ten opsigte van die spanningsgolfvorm soos in Figuur 3 gesien kan word. As ons na grade verwys, hou in gedagte dat ‘n golfvorm volgens konvensie elke 360° herhaal word.
Suiwer weerstands-, induktiewe of kapasitiewe laste kom egter selde voor. ‘n Las bestaan gewoonlik uit ‘n kombinasie van ‘n weerstands- en ‘n reaktiewe las. Dit beteken, afhangende van die samestelling van die reaktiewe las in terme van induktansie en kapasitansie, kan die faseverskuiwing wissel tussen -90° tot 90°. Die faseverskuiwing word met die Griekse simbool ϕ (phi) aangedui. Die werklik drywing in watt, wat dus die faseverskuiwing in berekening bring word met die volgende vergelyking bepaal:
P = V x I x cosϕ
Die term cosϕ word die drywingsfaktor genoem en kan varieer tussen -1 en 1 en die term V x I is die skyndrywing met die eenheid VA of volt-ampere.
Ons is gelukkig nie uitgelewer aan ‘n lae verskuiwings-drywingsfaktor nie omdat drywingsfaktorkorreksie moontlik is. Dit word gedoen deur die las meer soos ‘n suiwer weerstand te laat lyk. Vir ‘n induktiewe las word ‘n kapasitor in parallel geskakel en vir kapasitiewe las word ‘n induktor in parallel met die las geplaas. Op hierdie wyse kan die drywingseffektiwiteit van ‘n toestel verbeter word tot ‘n drywingsfaktor van 0,95 of selfs beter.
Deesdae, veral met die algemene gebruik van skakelmoduskragbronne of waar aktiewe komponente soos diodes, tiristors en skakeltransistors in drywingskringe gebruik word, is dit algemeen dat hierdie laste veroorsaak dat elektriese stroom in ‘n nie-sinusgolfvorm, soos in Figuur 4 gesien kan word, onttrek word. Sulke laste word nie-liniêre laste genoem. Tipiese nie-liniêre laste is kragbronne van persoonlike rekenaars of skootrekenaars, oudiovisuele toestelle, drywers vir CFLs en LED-lampe, fluoresente lampe, dompers, batterylaaiers, sweismasjiene en vele meer.
Soos in Figuur 4 gesien kan word is die stroompulse perfek in fase met die spanningsinusgolf – alhoewel die stroomgolf baie vervorm is. Ekself het al in die slaggat getrap om te dink dat die drywingsfaktor in hierdie geval eintlik naby aan die ideaal van 1 behoort te wees. Alhoewel die verskuiwing-drywingsfaktorvergelyking van toepassing is, moet die verwringings-drywingsfaktor ook in berekening gebring word. Die verwringings-drywingsfaktor word in terme van die stroomgolfvorm se fundamentele frekwensie tesame met die verwringingsharmonieke geanaliseer. Wanneer ‘n golfvorm nie ‘n perfekte sinusgolf is nie gee dit aanleiding tot harmonieke in die stroombaan soos in Figuur 5 getoon word. Harmonieke van ‘n spannings- of stroomgolfpatroon is wisselstrome en-spannings wat frekwensies het wat heelgetal-veelvoude van die fundamentele frekwensie is.
Die verwringings-drywingsfaktor is gelykstaande aan die verhouding van die effektiewe stroomwaarde (RMS waarde) van die fundamentele wisselstroom tot die effektiewe stroomwaarde van die fundamentele wisselstroom tesame met die harmonieke. Die totale drywingsfaktor word bepaal deur die verplasings-drywingsfaktor met die verwringings-drywingsfaktor te vermenigvuldig. ‘n Goeie verduideliking van die wiskundige verwerkings word in die artikel “Explaining Distortion Power Factor” gegee. Korreksie van die verwringings-drywingsfaktor is moontlik, maar moet egter deur die vervaardiger van die toestel aangespreek word. Terwyl daar regulasies in Europa en Japan bestaan om verwringings-drywingsfaktorkorreksie te doen, bestaan daar sover ek weet nie sulke regulasies in Suid-Afrika nie.
Die vraag kan gevra word waarom is kennis oor drywingsfaktore belangrik? Ons het reeds die opmerking gemaak dat daar ‘n toename in toestelle is wat kragbronne gebruik wat aktiewe komponente gebruik tesame met skakeltegnieke. Hierdie toestelle, tensy drywingsfaktorkorreksietegnieke gebruik word, is berug daarvoor dat dit ‘n ongunstige verwringingings-drywingsfaktor het. Veral energiebesparende komponente soos LED-lampe, CF-lampe, fluoresente lampe wat inherente drywers het, het drywingsfaktore wat in die algemeen minder as 0,65 is. Hoe nader die drywingsfaktor van ‘n elektriese installasie se totale las aan 1 is, hoe groter gedeelte van die kragopwekker of wisselrigter se VA vermoë kan dan gebruik word as werklike drywing ten einde effektiewe arbeid te verrig.
By Deon Vosloo|Junie 6th, 2019|Categories: Energie, Webjoernaal|Tags: cos phi, drywingsfaktor, fundamentel frekwensie, harmonieke, induktiewe las, kapasitiewe las, reaktiewe las, skyndrywing, verskuiwings-drywingsfaktor, verwringings-drywingsfaktor, volt-ampere, watt, weerstandslas, werklike drywing|5 Comments
Harm Boer 2019-06-06 at 15:50 - Reply
Oor die algemeen is die artikel oor die arbeidsfaktor (jy noem dit drywingsfaktor, ek gebruik UP se term) leersaam en korrek, maar jou verduideliking van die verskil op die kragopwekker kan verwarring skep. Ek het ook onlangs amper in ‘n slaggat getrap deur aan te neem dat ‘n 400kVA kragopwekker 400kW aan verwarmingselemente sal kan lewer, totdat ek vasstel dat die dieselenjin slegs 354kW kan lewer. Werklike drywing is altyd kleiner as die skyndrywing, en kragopwekkers word tipies gespesifiseer in skyndrywing met ‘n 0,8 (bystand) of 0,9 (primere) arbeidsfaktor, waarvan laasgenoemde ‘n sterker, groter motor het, maar steeds kleiner in kW waarde is as die gegewe kVA waarde.
In kort, ‘n tipiese 3,5kVA kragopwekker gaan jou nie 3,5kW kan lewer nie – die enjin sal gaan staan.
Deon Vosloo 2019-06-06 at 16:29 - Reply
Inderdaad, ek het nou net ‘n ou handboek – Bartkowiak, jy sal dit sekerlik onthou – geraadpleeg waarin ek ‘n kantaantekening gemaak het wat die term arbeidsfaktor vir “power factor” in Afrikaans gebruik. Dankie vir jou bydrae!
Marius Fourie 2019-06-06 at 22:24 - Reply
By Stellenbosch Universiteit was die term ook arbeidsfaktor en HC (Prof Christo Viljoen) was nogal ernstig oor afrikaanse tegniese terme. Ek sou drywingsfaktor eerder as die percentasie van vollas interpreteer. Nou kan ons lekker stry of dit persentasie van VA of krag is. As jy dink dis krag, vertel dit vir ‘n ingenieur wat transmisie stelsels doen.
Dit gese, Deon, jy het baie meer moed as ek om die onderwerp vir mense sonder die nodige agtergrond the probeer verduidelik.
Deon Vosloo 2019-06-07 at 08:04 - Reply
Dit lyk asof daar reeds ‘n goedgevestigde woord vir “power factor” in Afrikaans is – arbeidsfaktor.
Dit sal daarom net sinvol wees om eerder die woord “arbeidsfaktor” as “drywingsfaktor” te gebruik.
Paul Bester 2019-06-21 at 06:49 - Reply
Ek dink dat dit wonderlik is om die terme weer in afrikaans te kan lees. Ek is ‘n werknemer van Rockwell Automation, en het al my opleiding in afrikaans gedoen. Al ons terminologie en korespondensie is deesdae in engels. Ek besef dat daar aandag gegee moet word aan die korrektheid van ‘n artikel, maar ek wil veel eerder juig om die onderwerk so in Afrikaans te kan lees. Baie dankie.