Waarom Cosinus φ Belangrijk Is: De Sleutel tot Efficiënte Elektrische Systemen

De term vermogensfactor (cos φ) kan op drie manieren worden gedefinieerd:

• „De cosinus van de hoek tussen stroom en spanning van een wisselstroomschakeling heet de vermogensfactor.”
• „De verhouding tussen de weerstand en de totale impedantie van een wisselstroomschakeling heet de vermogensfactor.”
• „De verhouding tussen de actieve vermogen en het schijnbare vermogen heet de vermogensfactor.”

Bij een inductieve belasting zal de vermogensfactor achterblijvend zijn, waardoor de stroom achterloopt op de spanning. Bij een capacitieve belasting loopt de stroom voorop op de spanning; dit heet een voorlopende vermogensfactor.De vermogensfactor speelt een cruciale rol in wisselstroomschakelingen, afhankelijk van de belasting. Hoe lager de vermogensfactor, hoe hoger de belastingstroom, en omgekeerd. Een achterblijvende vermogensfactor heeft nadelen zoals een grote kVA-nominale waarde, omdat de kVA omgekeerd evenredig is met de vermogensfactor.

• Bij een achterblijvende vermogensfactor moeten transmissielijnen een grotere geleiderdoorsnede hebben, omdat de geleider bij een lage vermogensfactor een grote stroom geleidt.
• Een ander nadeel is grote koperverliezen: bij een lage vermogensfactor levert de geleider een grote stroom, wat meer I²R-verliezen veroorzaakt. Dit resulteert in een slechte efficiëntie.
• De grote stroom bij een lage vermogensfactor veroorzaakt grotere spanningsval in alternatoren en transmissielijnen, wat de belastbaarheid van het systeem kan verminderen.

Oorzaken van een Lage Vermogensfactor

Een lage vermogensfactor is vanuit economisch oogpunt onwenselijk.

1. De meeste wisselstroommotoren (éénfazig en driefazig) zijn inductiemotoren die werken met een zeer lage vermogensfactor (0,2 tot 0,3).
2. Industriële ovens, booglampen, gasontladingslampen, enz. werken met een lage vermogensfactor.

Verbetering van de Vermogensfactor

De lage vermogensfactor is voornamelijk te wijten aan inductieve belasting. Om dit te compenseren, moet een condensator parallel aan de belasting worden aangesloten, wat de vermogensfactor kan stabiliseren. Verbetering kan worden bereikt met de volgende apparatuur:

• Statische condensator

De vermogensfactor kan worden verbeterd door een condensator parallel aan de inductieve belasting te schakelen. Een condensator trekt een voorlopende stroom die de achterblijvende vermogensfactor van inductieve belasting kan neutraliseren. Voor driefazige belasting kunnen condensators in ster- of driehoekschakeling worden aangesloten.

• Synchroon condenser

Synchroonmotoren trekken een voorlopende stroom wanneer ze overgeëxciteerd zijn en gedragen zich dus als condensatoren. Een overgeëxciteerde synchroonmotor die op geen last draait, heet een synchroon condenser. Wanneer zo een machine parallel aan het net wordt aangesloten, trekt hij een voorlopende stroom die de lage vermogensfactor deels neutraliseert. Hierdoor verbetert de vermogensfactor.

• Faseschuivers

Een faseschuiver is ook een apparaat voor vermogensfactorverbetering. De lage vermogensfactor wordt veroorzaakt door de stator van de inductiemotor, die een zeer hoge stroom trekt die 90° achterloopt op de netspanning. Een faseschuiver is eigenlijk een externe wisselstroomopwekking voor de motor, die de statorontwikkeling ontlast van de opwekkingsstroom, waardoor de vermogensfactor verbetert.