Blindvermogen: waarom 1000 W bij cos φ 0,8 de installatie belast als 1250 VA
Bij een inductieve belasting doet een deel van de stroom niets anders dan een magnetisch veld opbouwen en weer teruggeven. Hij levert geen actieve energie, maar de kabel moet hem wél voeren. Wat W, var en VA betekenen — en wanneer dat er voor jou echt toe doet.
Het symptoom: twee verschillende vermogensgetallen op het typeplaatje
Je koopt een UPS en ziet „1500 VA / 900 W”. Je pakt een motor en op het typeplaatje staat 1,1 kW plus cos φ 0,8. De fabrikant van de omvormer schrijft over schijnbaar vermogen, de verkoper over watts, en de energierekening over kilowattuur.
Dat is geen rommelige etikettering. Het zijn drie verschillende grootheden. Bij een vrijwel zuiver resistieve belasting — een verwarmingselement of een klassieke gloeilamp — zijn ze bijna gelijk. Bij een motor, een transformator en een gasontladingslamp lopen ze flink uiteen.
Het verschil kan groot zijn. Een verbruiker van 1000 W bij een cos φ van 0,8 belast de installatie alsof hij 1250 VA trekt. De kabel en de omvormer moeten die stroom voeren, ook al hoort er geen extra energie bij. Beveiligingen kies je overigens niet met dezelfde omrekening van VA naar ampère — daar beslist de karakteristiek van het hele circuit.
Drie vermogens, één driehoek
Het actief vermogen in watt is het vermogen dat wordt omgezet in beweging, warmte of licht. Daarvoor betaal je in het huishoudelijke tarief, en het bepaalt hoelang een accu het volhoudt.
Het blindvermogen in var verricht geen arbeid. Het pendelt tussen bron en verbruiker: in het ene kwart van de periode laadt het het magnetisch veld van de motor, in het volgende stroomt het terug naar het net. De balans over een volledige periode is nul, maar de stroom loopt de hele tijd.
Het schijnbaar vermogen in voltampère is het product van spanning en stroom, dus wat de kabel werkelijk ziet. De stelling van Pythagoras verbindt ze:
S² = P² + Q²
Voor een verbruiker van 1000 W bij cos φ 0,8 komt dat uit op 1250 VA schijnbaar vermogen en 750 var blindvermogen. Bij 230 V betekent dat een stroom van 5,43 A in plaats van 4,35 A — een kwart meer in dezelfde kabel, bij dezelfde verrichte arbeid.
Waar de stroom vandaan komt die niemand verbruikt
Een motor zet stroom niet rechtstreeks om in beweging. Hij moet eerst een magnetisch veld in de wikkeling opbouwen — en dat veld moet gevoed worden, of de as nu belast is of niet.
De magnetiseringsstroom loopt ook wanneer de motor onbelast draait. Daarom heeft een onderbelaste motor de slechtste cos φ van zijn hele werkgebied: hij neemt weinig actief vermogen op, maar moet net zo hard magnetiseren. Een motor die „met ruime marge” is gekozen maakt de situatie slechter in plaats van beter.
Dezelfde logica geldt voor transformatoren, smoorspoelen in armaturen met gasontladingslampen en de spoelen van magneetschakelaars. Een verwarmingselement, een gloeilamp en een waterkoker hebben niets te magnetiseren — daar ligt de cos φ dicht bij één en zijn de drie vermogens praktisch gelijk. Dat geldt niet voor ledarmaturen en tl-buizen: daar zit tussen het net en de lichtbron een elektronische schakeling, en dan ligt de zaak anders.
cos φ is niet altijd de arbeidsfactor
Hier begint het punt waarop zelfs vakteksten de mist in gaan.
cos φ beschrijft de faseverschuiving tussen spanning en stroom. Hij heeft betekenis wanneer de stroom een sinus is — dus bij motoren, transformatoren en andere lineaire belastingen.
De arbeidsfactor is een breder begrip: de verhouding tussen actief en schijnbaar vermogen, ongeacht de vorm van het signaal. Schakelende voedingen, omvormers, opladers en een deel van de ledverlichting nemen een vervormde stroom op — geen sinus, maar korte pulsen rond de top van de spanning. Dan geeft cos φ alleen een te gunstig beeld, omdat hij de harmonischen niet meerekent.
De praktische conclusie: de berekening met cos φ klopt voor een motor en een transformator. Voor een computervoeding of een omzetter moet je haar zien als een schatting aan de optimistische kant, en de werkelijke arbeidsfactor opzoeken in de documentatie van het apparaat.
Compensatie: condensatoren, en wat ze niet oplossen
Het blindvermogen van een motor kun je ter plaatse opwekken in plaats van het uit het net te trekken. Een condensator neemt blindvermogen met het tegengestelde teken op; parallel aan de motor geschakeld verkleint hij dus wat er door de voedingskabel stroomt.
Een voorbeeld met getallen. Een bedrijf neemt 10 kW op bij cos φ 0,7 en wil naar 0,95 bij 400 V en 50 Hz. Er blijft dan 6915 var te compenseren. In driehoekschakeling is daar 45,86 µF per fase voor nodig, in sterschakeling 137,57 µF — drie keer zoveel. Wie één getal noemt zonder de schakeling erbij te zeggen, zit er in twee van de drie gevallen naast. De stroom in de voedingskabel daalt daarbij met 26,3 procent.
Wat zo'n resultaat niet zegt. Het zegt niet of er harmonischen in de installatie zitten — en bij niet-lineaire belastingen kan een condensatorbatterij in resonantie komen met de inductie van het net en de zaak juist verergeren. Het vervangt niet de keuze van de bedrijfsspanning, de klasse van de condensatoren of het naleven van de fabrikantvoorwaarden. Het getal in microfarad is een theoretische berekening voor de opgegeven schakeling, geen boodschappenlijst.
Wanneer dit jou aangaat
Het eerste geval is de keuze van een omvormer of UPS. Die apparaten hebben hun vermogen in voltampère juist omdat de stroom de grens is, en niet de energie. Een lineaire verbruiker van 600 W bij cos φ 0,45 vraagt ongeveer 1333 VA. Alleen het opschrift „1000 W” op een omvormer is dus niet genoeg voor een oordeel: vergelijk zijn continue en piekvermogen in VA, de toelaatbare stroom en de gegevens van je eigen verbruiker.
Het tweede is een heffing op blindvermogen. De netbeheerder of het tarief kan het teveel aan blindenergie boven een afgesproken niveau in rekening brengen. We noemen hier geen drempels of tarieven, want die hangen af van land, tarief en contract — zoek ze op in je eigen contract en op de factuur, niet in een calculator die niet weet waar je staat. Of de heffing überhaupt optreedt en vanaf welk niveau, volgt uit het contract en de regels van de netbeheerder voor de betreffende aansluiting. Een algemeen artikel — ook dit — is geen basis om je eigen factuur te beoordelen.
Het derde is de kabeldoorsnede. Die kies je op de stroom, en de stroom volgt uit het schijnbaar vermogen. Dezelfde verbruiker van 1000 W vraagt een kabel voor 5,43 A bij cos φ 0,8 en voor 4,35 A bij een cos φ van 1.
Bronnen
- Fluke 39/41B — het verschil tussen cos φ bij de grondfrequentie en de volledige arbeidsfactor met harmonischen
- Fluke — resonantie op de vijfde harmonische: wanneer condensatoren de zaak verergeren
- Pools tariefbesluit (Dz.U. 2019 poz. 503) — voorbeeld van een nationale (Poolse) regeling voor de verrekening van blindenergie; controleer de regels bij je eigen netbeheerder