Meer stroom met minder koper

Waarom we blindvermogen moeten reduceren

In elke elektrische installatie is naast nuttig, bruikbaar vermogen ook vermogen aanwezig dat niet effectief wordt omgezet in warmte, beweging of licht. Dit niet-effectieve vermogen noemen we blindvermogen. Blindvermogen zorgt voor extra belasting op kabels, leidingen en transformatoren. De netbeheerder moet dit blindvermogen transporteren. Tegelijkertijd halen we minder nuttige energie uit ons gecontracteerde vermogen.

Wat is blindvermogen, hoe ontstaat het en hoe kunnen we blindvermogen reduceren? De antwoorden op deze vragen leest u in deze white paper.

 

Ontvang de white paper Blindvermogen reduceren als PDF

Meer stroom met minder koper - White paper blindvermogen reduceren
Vergelijk vermogen eens met een bierglas - White paper blindvermogen reduceren

Wat is blindvermogen?

In elektrische installaties wordt slechts een deel van het vermogen nuttig gebruikt. Dit vermogen wordt ook wel het werkelijk vermogen genoemd. Het wordt door machines en apparatuur daadwerkelijk omgezet in beweging, licht, koeling of warmte. Er gaat ook altijd een deel van het vermogen verloren door bijvoorbeeld magnetisme in motoren en transformatoren en condensatoren in elektronische apparatuur. Dit wordt het blindvermogen of reactief vermogen genoemd. Dit vermogen wordt in een 50Hz net 50 x per seconde heen en weer door het net gevoerd en niet effectief gebruikt.

Het werkelijk vermogen (het bier) en het blindvermogen (het schuim) bij elkaar opgeteld noemen we het schijnbaar vermogen

Het werkelijk vermogen en het blindvermogen bij elkaar opgeteld noemen we het schijnbaar vermogen. Het hele net (de hoofdverdeler, transformatoren en de hoofdaansluiting) moet dit schijnbaar vermogen kunnen distribueren. Dit kunnen we het best vergelijken met een bierglas. Het nuttige vermogen (het bier) wordt effectief gebruikt. Het niet-nuttige vermogen (het schuim) zorgt voor een vergroting van het te transporteren vermogen. De elektrische installatie (het bierglas) moet in staat zijn het nuttige en het niet-nuttige vermogen te distribueren. Als het blindvermogen toeneemt kan de installatie overbelast raken (het bierglas stroomt over).

De Power Factor

De power factor - White paper blindvermogen reduceren

De verhouding tussen het werkelijk vermogen en het schijnbare vermogen noemen we ook wel de power factor. Dit is de factor die aangeeft hoe nuttig we de stroom gebruiken. Als de power factor ‘1’ is wordt 100% van de stroom effectief gebruikt. In de praktijk ligt deze vaak tussen 0,6 en 0,9. De toepassing van een condensatorbank of een actief filter kan de power factor vergroten en zelfs optimaliseren tot ‘1’.

Welke soorten blindvermogen zijn er?

Inductief blindvermogen

Motoren, transformatoren en voorschakelapparatuur zijn inductieve belastingen. Bij inductieve belastingen is er een vermogen nodig voor het magnetiseren van spoelen. Dit vermogen wordt het inductief blindvermogen genoemd. De vectorsom van het werkelijk vermogen (P) en het inductief blindvermogen (Q1) noemen we het schijnbaar vermogen (S1). In dit voorbeeld heeft het schijnbaar vermogen een inductief karakter.

Capacitief blindvermogen

Condensatoren in elektronische apparatuur en lange kabels zijn capacitieve belastingen. Bij capacitieve belastingen is er vermogen nodig voor het laden van deze capaciteit. Dit vermogen wordt capacitief blindvermogen genoemd. De vectorsom van het werkelijk vermogen (P) en het capacitief blindvermogen (Q1) wordt het schijnbaar vermogen (S1) genoemd. In dit voorbeeld heeft het schijnbaar vermogen een capacitief karakter.

De mate waarin de energie bij het inductief en capacitief blindvermogen nuttig wordt gebruikt, geven we aan met cos-phi. Internationaal wordt dit de displacement power factor (dPF) genoemd. Dit is de verhouding tussen het werkelijk en schijnbaar vermogen van de fundamentele component (50Hz component).

Harmonisch blindvermogen

In de moderne installatie worden steeds meer niet-lineaire belastingen toegepast. Voorbeelden hiervan zijn bijvoorbeeld gelijkrichters (laptopvoedingen, servers) en inverters in moderne UPS-en en frequentieregelaars. En kenmerk van een niet-lineaire belasting is dat de opgenomen stroom niet meer sinusvormig is. De vervorming van de stroom die hierdoor ontstaat noemen we ook wel harmonische vervorming.

Het extra vermogen dat door de harmonische vervorming ontstaat, noemen we het harmonisch blindvermogen (Qh). Dit blindvermogen is noch inductief, noch capacitief. Daarom zetten we het harmonisch blindvermogen uit op een derde as, de zogenaamde z-as. De vectorsom van het werkelijk vermogen (P) en het harmonish blindvermogen (Qh) noemen we – wederom - het schijnbaar vermogen (S). Lees meer over (hogere) harmonischen.

Een combinatie van soorten blindvermogen

De praktijk laat een combinatie van verschillende soorten blindvermogen zien. In het onderstaande voorbeeld komt harmonisch blindvermogen voor en heeft het inductieve blindvermogen de overhand.

Termen om te onthouden:

Displacement Power Factor (dPF of cos-phi) is de verhouding van het werkelijk vermogen in (kW) en schijnbaar vermogen van de fundamentele 50Hz-component. Indien geen harmonischen aanwezig zijn, is de totale Power Factor (PF) gelijk aan de displacement Power Factor (dPF).

De Power Factor (PF) is de verhouding tussen het werkelijk en schijnbaar vermogen onder alle omstandigheden.

Soorten blindvermogen schematisch weergegeven - White paper blindvermogen reduceren

Blindvermogen in de praktijk

In onderstaande tabel is samengevat wat voor type reactief vermogen de overhand heeft in welk type installatie. Deze tabel is indicatief en geeft een gemiddelde weer van zeker 250 praktijkmetingen. Als u zeker wilt weten wat het gedrag is van uw installatie, adviseren we een power quality-meting uit te (laten) voeren. Lees meer over (tijdelijke) power quality metingen.

 

    Inductief blindvermogen     Capacitief blindvermogen     Harmonisch blindvermogen  
Industrie - conventioneel    ▲▲▲  
Industrie - modern ▲▲▲
Ziekenhuizen ▲▲

▲▲

Datacenters
Kantoren ▲▲ ▲▲
Marine & Offshore ▲▲

 

De algemene trend is dat door toepassing van elektronica en elektronische aandrijvingen:

  • inductief blindvermogen afneemt;
  • capacitief blindvermogen toeneemt;
  • harmonisch blindvermogen toeneemt.

 

Nadelige gevolgen van blindvermogen

Boetes en claims

Boete en claims - White paper blindvermogen reducerenEen te hoog blindvermogen kan leiden tot een boete van de netbeheerder. Te veel blindvermogen leidt tot extra belastende stromen en dus tot extra belasting voor de netbeheerder. Bij harmonisch blindvermogen kan de netbeheerder een claim neerleggen als grenswaarden worden overschreden.

Overbelasting van de installatie

Het werkelijk vermogen (kW) en blindvermogen (kVar) moeten we bij elkaar optellen om tot het totale vermogen (kVA) te komen dat door de installatie moet kunnen lopen. In de vergelijking met het bierglasmodel betekent dit dat we het bier en schuim bij elkaar optellen. Om overstroming van het bierglas te voorkomen, moet er geïnvesteerd worden in een groter bierglas. In de praktijk zal een hogere aansluitcapaciteit bij de netbeheerder, meer transformatorvermogen en een zwaardere installatie nodig zijn.

Een hogere energierekening door extra verliezen

Meer blindvermogen houdt ook meer stroom door de installatie in. Meer stroom door de installatie betekent hogere verliezen ten gevolge van de impedantie (weerstand) van de installatie. Dit noemen we ook wel de watt-verliezen. Dat zorgt er weer voor dat er meer kW-en worden opgenomen (P=I2*R). Deze verliezen omgezet naar de vergelijking met het bierglas betekenen dat er – hoe gek het ook klinkt – meer bier in het glas zit dat niet effectief wordt gebruikt, maar opgaat aan warmte in bijvoorbeld kabels en transformatoren.

Derating van transformatoren en generatoren

Harmonisch blindvermogen zorgt voor een kleinere beschikbare capaciteit van transformatoren en generatoren. Door de hogere frequenties van de harmonischen worden er extra koper- en  wervelstroomverliezen en extra verliezen door inductieve en capacitieve koppelingen gegenereerd. Terug naar de vergelijking met het bierglas: door harmonische stromen kan het bierglas niet volledig gevuld worden.

Verschillende publicaties – waaronder de application guides van de IEE519 – publiceren deratingcurves. Op basis van deze publicaties en onze eigen meetervaringen, hanteren we de volgende grove richtlijn voor het deraten van transformatoren en generatoren. 

   % elektronische belasting t.o.v. totaal       Derating transformator   
   Derating generator**   
25% 0,8 0,6
50% 0,6 0,45
100% 0,5 0,4

Haperende generatoren

Generatorregelingen ondervinden problemen met capacitieve stromen. De uitgangsspanning wordt dan onstabiel. Het capacitieve blindvermogen moet in ieder geval onder de twintig procent van het nominale generatorvermogen liggen. Voor een stabiel generatorbedrijf adviseren wij echter het capacitief blindvermogen in zijn geheel te vermijden.

Blindvermogen reduceren

Er is dus alle reden om ongewenst blindvermogen te reduceren. Er zijn drie basisoplossingen om het blindvermogen te reduceren:

  • Cos-phi bank (condensatorbank)
  • Statische VAR generator (elektronische cos-phi verbetering)
  • Actief dynamisch filter / harmonisch filter

Met een Cos-phi bank / condensatorbank

De condensatorbank is de meest bekende oplossing om blindvermogen te reduceren en wordt al tientallen jaren toegepast. De condensatorbank is – zoals de naam al zegt – een kast vol met condensatoren waarmee het blindvermogen voor de spoel wordt geleverd. Hierdoor is voor de condensatorbank het blindvermogen verdwenen en wordt een cos-phi van 1 gemeten.

Werking van een condensatorbank - White paper blindvermogen reduceren

Indien de belasting bijvoorbeeld 50kVar aan inductief blindvermogen opneemt, en we zetten daar een condensatorbank tegenover met een capaciteit van 50kVar, wordt de complete inductie opgeheven en wordt de cos-phi door de transformator 1.

Al het inductief blindvermogen wordt door de condensatorbank geleverd. De hoofdverdeler, transformator en de klantaansluiting worden hiermee ontlast, waardoor er extra vermogensruimte ontstaat.

Voordelen condensatorbank:

  • Relatief goedkoop
  • Eenvoudige techniek
  • Modulair

Nadelen condensatorbank:

  • Relatief traag door schakeltijd relais
  • Overbelastbaar door harmonische stromen
  • Past zich niet aan aan veranderingen in het net
  • Verouderde condensator kan een ongewenste opslingering harmonische veroorzaken     

 

Een condensatorbank is pertinent niet te gebruiken:

  • in een net met capacitief vermogen, met gevaar op resonanties en brand;
  • in een installatie met veel harmonisch vermogen, de condensator is namelijk een kortsluiting bij hogere frequenties;
  • in installaties waarin aangesloten apparatuur kan wijzigen;
  • bij snel wisselende belastingen en dynamische processen.

Met een Statische VAR-generator (SVG)

Een statische VAR-generator (SVG) is een snelle elektronische en traploze blindstroomcompensatie zonder condensatoren. De SVG meet de inductieve stroom [1] en injecteert een stroom die dusdanig in fase verschoven is met de spanning [2] dat de stroom voor het filter [3] keurig in fase loopt met de spanning.

Werkingsprincipe van een statische VAR-generator - White paper blindvermogen reduceren

Werkingsprincipe van een statische VAR-generator

Voordelen SVG ten opzichte van een condensatorbank:

  • Zowel inductief als capacitief blindvermogen compenseren
  • Supersnelle responsietijd (<20ms)
  • Snel en traploos, waardoor over- of ondercompensatie niet mogelijk is
  • Compacter, lager in gewicht
  • Minder energieverlies
  • Niet overbelastbaar en ongevoelig voor resonantie en interharmonischen
  • Onderhoudsvrij

 

Over- of ondercompensatie met statische VAR generator - White paper blindvermogen reduceren
Met een Statische VAR Generator is over- of ondercompensatie niet mogelijk

Nadeel Statische VAR Generator (SVG):

  • Hogere aanschafprijs dan een condensatorbank


Typische toepassingsgebieden van een SVG zijn:

  • In installaties met snel wisselende belastingen waarbij een condensatorbatterij te langzaam is
  • In capacitieve netten waar de noodstroomgenerator niet goed opkomt
  • In installaties met gelijkbelaste fasen waar meer vermogensruimte nodig is

Met een Actief Harmonisch Filter (AHF)

Een actief harmonisch filter (AHF) filtert harmonische stromen met een werkingsprincipe dat gebaseerd is op het principe van “noise-cancelling”. Het filter meet de stroomvervuiling [1] en injecteert een tegenstroom [2] die dusdanig van vorm is dat de stroom voor het filter [3] weer netjes sinusvormig wordt. Hiermee wordt al het harmonisch blindvermogen gecompenseerd. Het harmonisch filter is tevens in staat zowel inductief als capacitief blindvermogen te compenseren, waarmee een dergelijk filter universeel inzetbaar is en niet overbelastbaar is.

Werkingsprincipe van een actief filter - White paper blindvermogen reduceren
Werkingsprincipe van een actief filter

Al het harmonisch blindvermogen wordt door het actieve filter geleverd. De hoofdverdeler, transformator en de klantaansluiting worden hiermee ontlast, waardoor er extra vermogensruimte ontstaat.

Voordelen actief harmonisch filter:

  • Zowel inductief, capacitief als harmonisch blindvermogen compenseren
  • Nog meer vermogensruimte door beperken derating vermogenstransformator
  • Supersnelle responsietijd (<5ms) en continue aanpassing aan de belasting
  • Alle power quality problemen kunnen worden opgelost
  • Minder verliezen, lagere footprint
  • Niet over-belastbaar en ongevoelig voor resonantie en interharmonische

Nadeel actief harmonisch filter:

  • Hogere aanschafprijs dan condensatorbank

Naast het reduceren van harmonisch blindvermogen is een actief filter in staat alle power quality problemen aan te pakken. Een neveneffect van een actief filter is het verbeteren van de spanningskwaliteit. Met andere woorden: een actief filter zorgt voor stabielere bedrijfsprocessen, langere levensduur van elektronische apparatuur en veel minder ongewenste uitval. Tegelijkertijd wordt daarmee voldaan aan internationale normen voor spanningskwaliteit. Zo wordt voorkomen dat garanties op apparatuur vervallen. Daarnaast kan een actief filter een ongelijke belasting van de fasen opheffen wat leidt tot extra vermogensruimte en minder watt-verliezen in de installatie. 

 

Lees meer over actief harmonisch en dynamische filters

Centraal of decentraal compenseren?

Vaak wordt de vraag gesteld of centraal of decentraal gecompenseerd moet worden. De grootte van de benodigde compensatievermogens, de opbouw van de installatie en de installatiemogelijkheden ter plekke bepalen wat de beste oplossing is.

Zonder compensatie vloeit het totale blindvermogen door de hele installatie. De onderverdelers, hoofdverdeler, hoofdbeveiliging én de transformator worden belast met het blindvermogen.

Decentraal compenseren

Bij decentrale compensatie wordt het compensatiesysteem geplaatst bij de verbruikers.

Decentraal compenseren - White paper blindvermogen reduceren 

Voordeel van decentraal compenseren:

  • De gehele installatie wordt ontlast van de blindstroom

Nadelen van  decentraal compenseren:

  • Hogere aanschaf- en onderhoudskosten dan bij centraal compenseren
  • Relatief hoge inbouwkosten omdat het compensatiesysteem bij de onderverdeler wordt geplaatst 

Centraal compenseren

Bij centrale compensatie wordt het compensatiesysteem vaak op de hoofdverdeler van de installatie geplaatst (direct achter de transformator). De hoofdbeveiliging, de transformator en de hoofdaansluiting worden zo ontlast van het blindvermogen. Het blindvermogen blijft wel in de interne bekabeling en onderverdelers lopen.

Centraal compenseren - White paper blindvermogen reduceren

Voordelen van centraal compenseren:

  • Lagere aanschaf- en onderhoudskosten
  • Relatief lage inbouwkosten in de ruimte waarin de laagspanningshoofdverdeler staat
  • De belangrijkste installatieonderdelen worden ontlast van blindstroom

Nadeel van centraal compenseren:

  • De onderverdelers en de bekabeling van en naar de onderverdelers wordt nog steeds belast met de blindstroom

In het kort

Het schijnbaar vermogen is de som van het actieve vermogen (effectief vermogen) en het blindvermogen (niet-effectief vermogen). Blindvermogen wordt niet omgezet in nuttige energie en kan bestaan uit inductief, capacitief en harmonisch blindvermogen of een combinatie hiervan. Door toepassing van elektronica neemt het inductief blindvermogen af en neemt het harmonisch en capacitief blindvermogen toe. Als het blindvermogen toeneemt, neemt het schijnbaar vermogen toe en daarmee de benodigde capaciteit van de installatie. Harmonisch blindvermogen zorgt daarnaast voor een kleinere beschikbare capaciteit door het deraten van transformatoren en generatoren.

Inductief blindvermogen kan gereduceerd worden door het toepassen van een condensatorbank. Met een actief dynamisch filter kunnen alle soorten blindvermogen worden gereduceerd en wordt het deraten van de transformator of generator beperkt. Hierdoor snijdt het mes aan twee kanten.

Continu meten en monitoren is noodzakelijk voor het bepalen van het juiste compensatiesysteem en het bewaken ervan.

Het reduceren van blindvermogen leidt tot:

  • Minder vermogen door de installatie, transformator en netaansluiting
  • Minder watt-verliezen, dus een lagere energierekening
  • Een grotere beschikbare transformator- of generatorcapaciteit als een actief filter wordt gebruikt

De toe te passen compensatie is afhankelijk van het soort vermogen dat in de installatie voorkomt.

 

   Soort vermogen       Inductief, Stabiel   
   Inductief, Snel wisselend       Capacitief blindvermogen       Harmonisch blindvermogen   
Mogelijke oplossingen 
Actief filter
SVG
Cos-phi bank

Actief filter
SVG

Actief filter
SVG

Actief filter

Tien-stappenplan

Weloverwogen tot de juiste oplossing komen

Zomaar condensatorbanken of actieve filters installeren lijkt makkelijk maar is niet kosteneffectief en kan zelfs gevaarlijk zijn. Het plaatsen van condensatorbanken in installaties met te veel harmonischen kan leiden tot resonanties door de interactie van de harmonische stromen en de condensatoren in de blindstroomcompensatie. Daarnaast kan het leiden tot overbelasting van de condensatorbank met alle gevolgen van dien. Het plaatsen van actieve filter als het eigenlijk niet nodig is of als het beoogde effect uitblijft, is zonde van het geld.

Daarom is het van belang eerst een meting uit te voeren  – het liefst voor langere tijd – waarmee de juiste compensatietechniek en capaciteit kan worden bepaald. Voor het plaatsen van een compensatiesysteem doorlopen we bij fortop altijd een tien-stappenplan.

 

Tien-stappenplan
Stap 1 Het plaatsen van een permanente meting of een tijdelijke meting
Stap 2 Bepalen van de juiste compensatietechnieken op basis van meetdata
Stap 3 Bepalen van de juiste compensatiecapaciteit op basis van meetdata
Stap 4 Engineering, overleg met betrokken partijen over wijze van installatie
Stap 5 Eventuele begeleiding en supervisie bij installatie van het filtersysteem
Stap 6 Inbedrijfstellen van het compensatiesysteem
Stap 7 Validatiemeting
Stap 8 Opstellen opleverrapportage
Stap 9 Permanente bewaking van het systeem
Stap 10 Uitvoeren jaarlijks onderhoud en advies bij wijzigingen in de installatie

 

Eén aanspreekpunt voor alle onderdelen

Meten, monitoren, verbeteren, inbedrijfstellen en onderhoud

Power management is een continu verbeterproces van meten, monitoren en verbeteren met als doel energie te besparen, uitval te voorkomen en de installatie optimaal te benutten. Fortop heeft een team van technische specialisten in huis die u door al deze stappen van power management kunnen begeleiden. Van de keuze voor de juiste meters op elk niveau tot aan het inbedrijfstellen en onderhouden van software en actieve compensatiesystemen. We helpen u bij het opstellen én uitvoeren van het tien-stappenplan.

 

Neem contact op

Meten, monitoren en verbeteren

close-video-button