Samma effektfaktor kan ha olika elektriska orsaker

Hur övertoner sänker kvoten utan fasförskjutning

Om effektfaktorn beskrivs som cosinus för en fasvinkel blir nästa steg svårt att förstå. Kvoten kan nämligen sjunka utan att någon fasförskjutning alls föreligger, och skälet följer direkt av de två definitionerna ovan.

Den aktiva effekten är ett medelvärde över en period. En strömkomponent vid en frekvens där spänningen saknar innehåll bidrar därför inte till den.

Den skenbara effekten bygger på effektivvärden. Strömmens effektivvärde summerar allt frekvensinnehåll, oavsett vilken frekvens det ligger på.

Effektfaktorn är kvoten mellan de två. Stiger den skenbara effekten medan den aktiva står stilla, sjunker kvoten.

En övertonsström höjer strömmens effektivvärde och därmed den skenbara effekten. Är spänningen i allt väsentligt sinusformad bidrar samma ström inte till den aktiva effekten. Kvoten sjunker, och ingen fasvinkel har rört sig. Innehåller spänningen motsvarande övertoner kan de däremot bidra även till den aktiva effekten, och då gäller inte den enkla slutsatsen.

Den magnetiserande strömmen gör något som ser likadant ut i talet men som är en annan sak fysiskt. Den ligger vid grundtonen, den är fasförskjuten, och den höjer också strömmens effektivvärde. Två skilda förlopp trycker ned samma kvot.

Två fall som ger samma tal

Följande är ett konstruerat exempel. Det beskriver ingen verklig anläggning, och talen är valda för att räkningen ska gå att följa i huvudet.

Förutsättningarna är gemensamma för båda fallen: samma aktiva effekt, samma spänning, spänningen antas sinusformad, och betraktelsen görs i en punkt i en fas.

Fall A, fasförskjutning. Strömmen är sinusformad och förskjuten mot spänningen. Hela kvoten förklaras av grundtonens fasläge. Effektfaktorn blir 0,80.

Fall B, förvrängning. Spänningen är sinusformad, enligt de gemensamma förutsättningarna ovan. Grundtonen ligger i fas med spänningen, alltså ingen fasförskjutning alls. Utöver grundtonen finns övertonsström, och strömmens effektivvärde är därför högre än grundtonens ensam. Med det konstruerade förhållandet 1,25 mellan dem blir kvoten 1 dividerat med 1,25, alltså 0,80.

Samma tal, olika elektrisk förklaring. I fall A är hela kvoten fasläge, i fall B är hela kvoten förvrängning. Talet ensamt pekar därför inte ut sin egen orsak.

Konstruerat exempel · Samma aktiva effekt · Samma spänning · Betraktelsen görs i en punkt i en fas

Fall A

Fasförskjutning

SpänningStröm

Effektfaktor0,80

Fall B

Förvrängning

SpänningStröm

1 ÷ 1,250,80

Vad ni behöver för att skilja orsakerna åt

I de två konstruerade fallen räcker strömmens frekvensinnehåll. Fallen är rena: i fall A finns bara grundton, och den är förskjuten; i fall B ligger grundtonen i fas och övertonerna står för hela skillnaden. Ser man spektrumet ser man vilket fall det är.

En verklig last behöver inte vara så ren, och då räcker spektrumet inte. Ett verkligt fall kräver åtminstone fyra saker, och de behöver följas åt.

Spännings- och strömsignalerna behöver vara registrerade samtidigt. Aktiv och skenbar effekt bildas ur samma signalpar över samma fönster, och en jämförelse mellan uppgifter som inte är samtidiga beskriver inte samma driftläge.

Grundtonens fasrelation mellan spänning och ström behövs. Frekvensinnehållet visar hur mycket ström som ligger utanför grundtonen, men det säger inte hur grundtonen själv ligger mot spänningen. Utan den uppgiften går fasförskjutningen inte att skilja från en grundton som ligger i fas.

Det relevanta frekvensinnehållet behöver avse samma period. Ett spektrum från ett driftläge och en fasuppgift från ett annat går inte att lägga ihop.

Mätpunkten och observationsperioden behöver vara angivna. Utan dem är det inte bestämt vad uppgifterna beskriver.

Är spänningen själv förvrängd tillkommer spänningens sida. Då behöver även spänningens relevanta övertonsinnehåll och dess relation till strömmen beaktas, eftersom övertonsströmmen i det läget kan bidra även till den aktiva effekten. Resonemanget om att övertoner bara höjer den skenbara effekten gäller då inte.

En verklig last kan bära både fasförskjutning och övertonsinnehåll samtidigt. Frågan är då inte vilket av de två rena exemplen som föreligger, utan hur mycket var och en av orsakerna bidrar. Att bedöma bidragen kräver ytterligare analys av de registrerade signalerna.

Uppgifterna ovan ger underlag för att analysera fasläge och förvrängning var för sig. De två rena fallen i exemplet är ingen fullständig diagnosmodell för en verklig anläggning, och de ska inte läsas som en sådan.

Skillnaden har praktisk betydelse längre fram: en åtgärd som riktar sig mot fasläget vid grundtonen gör inte samma sak som en åtgärd riktad mot övertonsinnehållet.

Vad uppdelningen kallas, och av vem

Att effektfaktorn har en del som hör till grundtonen och en del som hör till förvrängningen är beskrivet i officiellt material. En officiell teknisk rapport behandlar effektstorheter under ickesinusformade förhållanden och skiljer ut två komponenter i effektfaktorn: en grundtonsrelaterad komponent, som beror på fasskillnaden mellan spänning och ström vid grundfrekvensen, och en icke grundtonsrelaterad komponent, som hänger samman med förvrängning av spänningen eller strömmen.

Två saker om den rapporten hör till bilden. Den är en teknisk rapport och inte en normativ standard, alltså ett underlag och inte ett krav. Och den anger själv att den gäller enfassystem, vilket betyder att den inte kan åberopas för det sammanvägda trefasfallet.

I produktblad och i leverantörernas tekniska material möter läsaren andra ord. De återges här med respektive källa som avsändare.

Det ena leverantörsmaterialet använder uttrycken förskjutningsfaktor och förvrängningsdel, och beskriver den verkliga effektfaktorn som påverkad av båda, där förvrängningsdelen hänger samman med övertonsströmmens storlek.

Det andra leverantörsmaterialet skiljer mellan förskjutningsfaktorn, som gäller sinusformade förhållanden utan övertoner, och den totala effektfaktorn, som är aktiv effekt dividerad med skenbar effekt.

Termerna står här som respektive källas egna. Leverantörernas ord är inte standardiserade termer. Artikeln behandlar inte de olika termuppsättningarna som utbytbara och sätter inget likhetstecken mellan dem.

Det praktiska att ta med sig är enklare än terminologin: fråga vad värdet i er rapport är räknat på, inte vad det kallas.

Effekttriangeln gäller under tre villkor

Aktiv, reaktiv och skenbar effekt kan ställas upp i en rätvinklig figur. Bilden är användbar, men den är inte allmängiltig. Den förutsätter det fall som definitionen av reaktiv effekt själv är avgränsad till, alltså linjära förhållanden och sinusformad kurvform, och i ett flerfassystem dessutom att faserna är jämnt belastade.

Villkoren gäller bilden, inte kvoten. Utanför dem går effektfaktorn fortfarande att bilda ur aktiv och skenbar effekt. Det som upphör att gälla är att den rätvinkliga relationen beskriver läget, och att effektfaktorn kan avläsas som cos φ. Under sinusformade förhållanden sammanfaller effektfaktorn med beloppet av cos φ. Är kurvformen förvrängd är cos φ och effektfaktorn inte utbytbara begrepp, och en uppgift som bara anger cos φ säger ingenting om övertonernas bidrag.

Villkoren gäller bilden, inte kvoten

Den rätvinkliga relationen

Aktiv effekt Reaktiv effekt Skenbar effekt

Linjära förhållanden Sinusformad kurvform Jämnt belastade faser

Utanför villkoren

Ingen entydig effekttriangel

Den reaktiva effekten är inte entydigt bestämd. Kvoten mellan aktiv och skenbar effekt går fortfarande att bilda.

Fyra frågor som avgör om två värden går att jämföra

Effektfaktorn är en härledd storhet. Den bestäms ur aktiv och skenbar effekt, som i sin tur bygger på spännings- och strömsignaler enligt instrumentets mätmodell. Talet i rapporten är räknat på ett bestämt sätt. Vad det går att jämföra med avgörs av fyra uppgifter.

Vilken mätpunkt och vilken del av systemet värdet avser. Ett värde för en avgrening och ett värde för hela inmatningen beskriver olika belastningar och kan inte ställas mot varandra. Det behöver också framgå om värdet gäller en fas eller hela systemet.

Om värdet är total effektfaktor eller förskjutningsfaktor, och vilka frekvenskomponenter som ingår. Detta är inte en teoretisk fråga. Den internationella standarden för mätare av reaktiv energi anger uttryckligen att den använder en konventionell definition där reaktiv effekt och energi beräknas enbart ur grundtonskomponenterna i ström och spänning. En uppgift som vilar på den definitionen redovisar därför inte ensam övertonernas bidrag till den totala effektfaktorn. Vad rapporten faktiskt visar går inte att sluta sig till ur den uppgiften: rapporten behöver separat ange om värdet är total effektfaktor eller förskjutningsfaktor.

Vilken period värdet avser, hur det har sammanfattats och om tidsförloppet finns tillgängligt. Ett tal för ett dygn och ett tal för en timme är olika uppgifter även när de kommer från samma punkt. Nästa avsnitt visar varför sammanfattningen behöver följas av tidsförloppet.

Om det är ett samlat trefasvärde, hur den samlade storheten har bestämts. Ett samband som ställts upp för en enfaskrets kan inte utan vidare användas för en industrianläggning. De citerade definitionerna av skenbar effekt och reaktiv effekt avser det tvåpoliga fallet, och för ett system med olika belastade faser behöver det framgå hur den samlade storheten har bildats. Den här artikeln ställer frågan och besvarar den inte. Att redogöra för sammanvägningen kräver ett annat underlag än det som ligger bakom den här texten.

Visar rapporten ett tecken tillkommer en femte fråga. Tecken och referensriktningar är en överenskommen konvention som regleras i en egen standard. Eftersom effektfaktorns definition använder beloppet är kvoten teckenlös. Ett plus- eller minustecken i en rapport kommer alltså från instrumentets konvention och inte från definitionen.

Vilken mätpunkt och vilken del av systemet?

Total effektfaktor eller förskjutningsfaktor, och vilka frekvenskomponenter?

Vilken period, hur sammanfattad, finns tidsförloppet?

Om värdet är samlat för tre faser, hur har den samlade storheten bestämts?

Rapporterat
värde

Ett tal för en period visar inte perioden

Ett värde som gäller en längre sträcka väcker en egen fråga: vad hände inuti sträckan? Följande konstruerade exempel visar varför den frågan behöver ställas. Det beskriver ingen verklig anläggning och ingen verklig mätning.

Räkneoperationen definieras här för exemplets skull. Det tidsviktade medelvärdet bildas som summan av varje periods effektfaktor multiplicerad med periodens längd, dividerad med sträckans totala längd. Detta är ingen uppgift om hur ett instrument, en standard eller branschen bildar ett periodvärde. Operationen finns här enbart för att göra jämförelsen mellan två förlopp möjlig.

Båda förloppen är tio timmar långa, mätta i en punkt i en fas, och effektfaktorn antas konstant inom varje angiven period.

Förlopp ett består av två driftlägen: åtta timmar med effektfaktorn 0,80 och två timmar med effektfaktorn 0,40. Räkningen blir åtta gånger 0,80, alltså 6,4, plus två gånger 0,40, alltså 0,8. Summan 7,2 dividerad med tio timmar ger 0,72.

Förlopp två har ett enda driftläge: effektfaktorn 0,72 under hela sträckan. Tio gånger 0,72 är 7,2, dividerat med tio timmar ger 0,72.

Båda förloppen ger alltså samma sammanfattande tal. Det första innehöll en tvåtimmarsperiod på 0,40 jämfört med sammanfattningen 0,72. Det andra var konstant. Sammanfattningen skiljer dem inte åt, och den som bara ser talet 0,72 kan inte av talet avgöra vilket av förloppen det kom ifrån.

Slutsatsen är avgränsad och gäller bara detta: samma sammanfattande tal kan motsvara olika förlopp, och därför visar ett sådant tal inte variationen inuti perioden. Vad som behövs för att se variationen är tidsförloppet, inte ett bättre medelvärde.

Frågor att ställa till en rapport

Fem frågor gör en uppgift om effektfaktor jämförbar med en annan. De går att skicka vidare som de står.

Vilken punkt avser värdet, gäller det en fas eller hela systemet, och hur har ett samlat värde i så fall bildats?

Är värdet total effektfaktor eller förskjutningsfaktor, och räknar instrumentet enbart på grundtonskomponenterna?

Vilken period avser värdet, hur har det sammanfattats, och finns tidsförloppet tillgängligt?

Finns spännings- och strömsignalerna registrerade samtidigt för samma period, med grundtonens fasrelation och relevant frekvensinnehåll, så att fasläge och förvrängning kan analyseras var för sig?

Om rapporten visar ett tecken, vilken teckenkonvention och vilka referensriktningar gäller i instrumentet?

Två slag av åtgärd, och varför de inte ersätter varandra

Vilken åtgärd som är rimlig beror på om fasförskjutningen eller förvrängningen bidrar mest, och det behöver bedömas mot nätet och mot anläggningens uppbyggnad.

När fasförskjutningen bidrar mest finns etablerade åtgärder som riktar sig mot den reaktiva delen vid grundtonen. Kondensatorbatterier för korrigering av effektfaktor är en egen produktkategori med en egen standard.

När förvrängningen bidrar mest kan åtgärderna behöva riktas mot övertonsinnehållet. Det finns internationell vägledning som behandlar passiva filter och shuntkondensatorer i industriella nät, och den håller isär två ändamål: begränsning av övertoner och korrigering av effektfaktor.

Att vägledningen behandlar de två ändamålen åtskilt är i sig upplysande. Att en åtgärd är avsedd för fasläget vid grundtonen säger inte vad den gör med övertonsinnehållet. Det behöver bedömas separat mot anläggningens faktiska frekvensinnehåll.

Ska utfallet kunna verifieras behöver mätningar före och efter göras under jämförbara driftförhållanden. Annars jämförs två olika driftsituationer, och slutsatsen om åtgärdens effekt blir osäker.