OliNo

Met een simpele vermogensmeter krijg je ook onjuiste resultaten. Hoe het dan wel moet? Lees verder hoe we uiteindelijk het vermogen en ook de power factor van onze zuinige server hebben gemeten…

De eenvoudige meter

Een eenvoudige meter is de Energy-Check 3000 zoals vernoemd in het artikel Mijn eerste zonnepaneel. Je plaatst de meter eenvoudigweg in het stopcontact en de stekker van het te meten apparaat steek je in het stopcontact van deze meter zelf, en meet dan het verbruik van het erop aangesloten apparaat.

Een dergelijke meter zou ook stand-by opgenomen vermogen meten en heeft een resolutie van 0.1 Watt. Nu heb ik mijn twijfels bij de betrouwbaarheid van de stand-by meting en het nut van een resolutie van 0.1 Watt, en daarover later meer.

de metingen

We hebben drie situaties gemeten:

1. voeding met schakelaar uit
2. voeding met schakelaar aan, maar de server uit
3. de server aan en werkend

We hebben verder geen effort meer gestoken in het meten van een server bij 100 % processorbelasting, omdat (1) we slechts een 6 W processor hebben die dus toch weinig meer vermogen zou trekken bij volledige belasting, en (2) omdat onze server nu eenmaal normaliter weinig processorbelasting heeft (voor de weinige taken die we hem laten uitvoeren).

de meetresultaten

Meting	Verbruik [W]
1. Schakelaar uit	10
2. Schakelaar aan, server uit	18
3. Server aan	95

De juiste meting

Een betere meting is er eentje waarbij je de spanning en de stroom meet over minimaal 1 periodetijd. Bij ons 50 Hz net hebben we 50 periodes per seconde, dus 1 periode duurt 20 milliseconde. Het is de bedoeling dat je genoeg meetwaardes neemt van de spanning en de opgenomen stroom gedurende zo’n periode, zodanig dat je goed de sinusvorm van de spanning ziet. De stroomvorm zal niet sinusvormig zijn, maar daarover later meer. Heb je eenmaal de spanning en stroom meetwaardes dan ga je de juiste berekeningen uitvoeren om te komen tot het werkelijk opgenomen vermogen. Met deze gegevens kunnen we zelfs nog meer berekenen zoals het schijnbare vermogen alsook de power factor. Lees aub door.

de meetopstelling

Het figuur geeft aan hoe we gaan meten.

(met dank aan Vincent Sijben voor het gebruik van de meetapparatuur en het opzetten en uitvoeren van de metingen)

Je plaatst de last (het te meten apparaat) in serie met een meetweerstand (Rsh). Deze wordt verbonden aan het net, de 230 V). Met een Fluke oscilloscoop hebben we aan drie meetpunten gemeten, zoals aangegeven in het plaatje. Het gemeenschappelijke 0-punt is gegeven, en we meten de spanningen op het bovenste punt en het onderste punt. Het bovenste punt noemen we U, wat de spanning is over de last. Het onderste punt is -I, we meten de spanning over de meetweerstand en delen deze door de meetweerstandswaarde waardoor we op de stroom I komen. Omdat het gemeenschappelijke 0-punt in het midden ligt, is het teken van de stroom tegengesteld aan die van de spanning, vandaar -I.

De oscilloscoop wordt zo ingesteld dat we een aantal periodes meten, dus bijvoorbeeld 50 ms in totaal (2.5 periodes). En we zien aan de meting zelf of we wel een mooie sinusvorm voor de spanning krijgen, als dit zo is dan hebben we genoeg meetpunten.

het vermogen P_avg in [Watt]

We meten dus een aantal meetwaardes van minimaal 1 periode van zowel de stroom als de spanning. Wanneer we deze hebben, moeten we nog wat gaan rekenen om te komen tot het werkelijk opgenomen vermogen. Dit opgenomen vermogen noemen we P en is als volgt te berekenen uit de meetwaardes:

Je neemt dus de som van alle meetwaardes die precies 1 periode vormen. En daarna deel je door het aantal meetwaardes je je gesommeerd hebt. Dit levert het gemiddelde vermogen op. Het is een interessante waarde, omdat dit vermogen is wat ook gemeten wordt door je kWh meter in de meterkast en waar je voor moet betalen. Stel je meet 100 Watt, en je hebt de unit 10 uur aanstaan, dan heb je 100 W x 10 h = 1000 Wh = 1 kWh verbuikt.

We kunnen ook een power factor berekenen, maar dat vergt wat meer technisch inzicht en dat zal ik aan het eind uitleggen.

de meetresultaten

Meting	Verbruik [W]	Verschil met eenv. meter[W]
1. Schakelaar uit	0	10
2. Schakelaar aan, server uit	2	16
3. Server aan	90	5

Je ziet een groot verschil bij de metingen wanneer de server zelf niet actief is. Dit verschil kan eventueel worden verklaard dat de simpele meter niet nauwkeurig het echte vermogen bepaald maar meer het schijnbare vermogen staat te meten. Wat schijnbaar vermogen betekent en de relatie met power factor leg ik nu uit.

Het schijnbare vermogen en de powerfactor

Het is interessant, nu we de meetwaardes hebben van stroom en spanning, om de power factor te berekenen. Wat deze aangeeft is een relatie tussen het vermogen P en het schijnbare vermogen S. Het vermogen P is wat we werkelijk opnemen en wat we moeten betalen aan de elektriciteitsmaatschappij. Het schijnbare vermogen S is het vermogen wat in 1 periode geleverd en deels weer teruggeleverd wordt aan het net. Dat wat teruggeleverd wordt aan het net is dus niet netto opgenomen vermogen.

Dit klinkt lastig, maar stel je het volgende voor: je loopt 10 meter vooruit, en daarna 7 meter terug. Netto ben je 3 meter vooruit gekomen, maar je hebt daarvoor 17 meter afgelegd! De extra kosten die dat met zich meebrengen zijn extra slijtage schoenzolen en extra slijtage en aanleg van wegen om de 17 meter af te leggen.

Nu voor schijnbaarvermogen is het ook zo. Vooral computervoedingen zijn belastingen die nogal wat uitwisseling van vermogen met het elektriciteitsnet nodig hebben, om tot een bepaald netto afgegeven vermogen te komen. Dit is zichtbaar in de vorm van de stroom, die niet gelijk is aan de vorm van de spanning. De spanning is sinusvormig, en de stroom is dit dan niet, maar vertoont bijvoorbeeld pieken en dalen. Het gevolg van de vermogensuitwisseling tussen het net en de voeding gedurende 1 periode, die groter is dan de uiteindelijke gemiddelde vermogen P over 1 periode, is dat de kabels waarover de stroom moet lopen groter bemeten moeten worden dan strikt voor vermogen P noodzakelijk zou zijn.

Een voorbeeld van de gemeten stroom is gegeven in het volgende grafiekje.

De spanning is uitgezet tegen de linker-as in Volt, en de stroom tegen de rechteras in Ampère. Je ziet dat de spanning een sinusvorm heeft, terwijl de stroom dat niet heeft; de power factor zou optimaal zijn wanneer de stroom ook een sinusvorm zou hebben en tevens in lijn zou lopen met de spanning (geen faseverschil) maar dat doet deze niet.

De meetresultaten S en PF voor de server

Nu de berekeningen van het schijnbare vermogen S en de power factor PF:

Het gaat weer alleen om de meetwaardes U en I die precies 1 periode vormen.

Wanneer we beiden uitrekenen voor de verschillende metingen komen we tot het volgende resultaat:

Meting	P [W]	S [VA]	PF [-]
1. Schakelaar uit	0	2,5	0
2. Schakelaar aan, server uit	2	22	0,1
3. Server aan	90	102	0,88

Het verschil met de door fabrikanten opgegeven waardes

We hebben nogal een tijdje gezocht om een voeding die een hoge efficientie had en tevens een hoge powerfactor. De door ons gekozen voeding (zie ook onze nieuwe zuinige server) had volgens de fabrikant een PF van 0,99. Echter wij maten 0,88. Dit verschil is waarschijnlijk daar omdat de fabrikant het liefst een zo hoog mogelijke PF waarde afgeeft, en wellicht alleen maar cosinus phi waarde heeft opgegeven. De hoek phi is het faseverschil tussen de spanningsvorm en de stroomvorm. Wanneer we spreken over zuiver sinusvormige spanning en stroom, dan klopt deze redenering ook wel. Echter in ons geval, waarin de stroom niet sinusvormig is, dan mag niet uitgegaan worden van deze vereenvoudigde formule.