Stand-by vermogen: de grootste energieverslinder?

Een belangrijke factor binnen het IoT wordt ongetwijfeld de manier waarop we verlichting kunnen en gaan gebruiken. De verlichting in het algemeen ondergaat momenteel al een fundamentele verandering. Deze transitie zal de komende jaren verder plaatsvinden en het is dan ook interessant om te zien hoe de verlichting nu al steeds vaker onderdeel gaat uitmaken van het Internet of Things.

Uit = aan

Het is zeker dat er de komende decennia een enorme toename te zien zal zijn van ‘slimme’ apparaten, aangesloten op het elektriciteitsnet. Een recente studie van het International Energy Agency (IEA) voorspelt dat er al in 2020 zo’n 50 miljard ‘dingen’ zijn aangesloten op het IoT en dat de gevolgen van de te verwachten energieconsumptie tot nu toe worden onderschat. De impact op het totale wereldwijde energieverbruik van het  toenemende ‘stand-by vermogen’ en de daaraan gerelateerde modi zal dan ook zeker gevolgen hebben voor de noodzaak van het correct testen en meten van deze relatief lage vermogens. Dit zal al plaats moeten vinden bij de ontwikkeling van de desbetreffende slimme producten of in de daarvoor geaccrediteerde testhuizen.

Regelgeving

De Ecodesign Richtlijn van de Europese Commissie (2005/32/EC) heeft ten doel om de wereldwijde  impact van alle elektrische energieverbruikende producten terug te brengen. Hieronder valt ‘stand-by power’, maar ook het totale energieverbruik tijdens de levensduur van het apparaat. Voor de verlichting is onderscheid te maken tussen directional lamps, light emitting diode lamps en de daaraan gerelateerde toestellen, zoals led-drivers. Belangrijke parameters, relevant voor led-drivers, zijn starttijd, stand-by vermogen en vermogensfactor. De recente ontwikkelingen van onder andere smart led-drivers en de smart led-lichtbronnen maakt de noodzaak tot het vastleggen van het belastingpatroon dan ook alleen maar groter en complexer. Het is zeker dat huidige regelgeving voor wat betreft stand-by vermogen en alle daaraan gerelateerde belastingmodi de komende jaren zal worden aangescherpt en uitgebreid, maar vast en zeker niet gelijke tred zal houden met de huidige ontwikkelingen van intelligente devices.

 

Figuur 1. Opstelling voor het meten van stand-by vermogen met een Newtons4th power analyzer  

Meten en analyseren

Het gedrag van een willekeurig device voor wat betreft de energie-opname vanuit het elektriciteitsnet kan dus nogal variabel zijn. Het is dan ook van het grootste belang dat het energiegebruik in verschillende stadia correct wordt gemeten (we spreken hierbij ook over cyclisch en niet-cyclisch gedrag).

In veel situaties kan er dan ook sprake zijn van relatief snelle belastingvariaties, die zich manifesteren als asynchrone stroompulsen. Instrumentatieleverancier Newtons4th heeft met zijn PPA-serie power analyzers een oplossing die garant staat voor het correct meten van het vermogen, waaronder stand-by  vermogen en alle daaraan gerelateerde modi. De PPA-serie combineert namelijk de real time DFT (discrete Fouriertransformatie) techniek met een variabel venster, waardoor er geen enkele stroompuls over het hoofd wordt gezien en garandeert hierbij voortdurend een optimale meetsnelheid en nauwkeurigheid (figuur 2).

 

Figuur 2. Meten met een variabel venster voorkomt gemiste pulsen.

De PPA power analyzers hebben daarnaast een ongeëvenaard dynamisch bereik, zodat volledig conform EN50564:2011 (vervanging van IEC62301) en de Energy Star teststandaarden kan worden gemeten. In de speciale stand-by power modus worden automatisch de benodigde algoritmes geselecteerd waarmee de nauwkeurige ‘no gap’ analyse wordt gedaan op de stroompulsen die zich vaak kenmerken door een hoge crestfactor (CF). Bij de power analyzers van Newtons4th wordt een gegarandeerde nauwkeurigheid gespecificeerd tot een CF van 20. Dit is van belang omdat in de normering wordt gesproken over het feit dat optredende stroomvormen makkelijk een crestfactor van 10 of hoger kunnen hebben.

De speciale stand-by modus laat de analyzer bij een hoge bemonsteringsfrequentie het gemeten vermogen integreren over een bepaalde tijd, waarna het gemiddelde vermogen wordt weergegeven.  

EN50564:2011 bevat voorschriften (figuur 3 en 4) over de benodigde testomgeving en testapparatuur voor dergelijke laag-vermogenmetingen. Een van de belangrijke items hierbij betreft het gebruik van een wisselspanningsvoeding. Een dergelijke unit wordt ingezet om als referentievoeding te dienen, waarbij de stabiliteit en eigen vervorming aan bepaalde eisen zijn onderworpen.

 

 Figuur 3 en 4. Richtlijnen uit EN50564:2011

Meetonzekerheid

In sectie 4.4.1 EN50564 wordt de toegestane meetonzekerheid beschreven, rekening houdend met de benodigde power-analyseapparatuur, inclusief de eventueel opgenomen externe stroomshunts in de testopstelling. De ‘maximum current ratio’ (MCR) wordt gebruikt om de maximale meetonzekerheid te bepalen en is afhankelijk van de eigenschappen van de belasting.

Deze wordt als volgt gedefinieerd:

maximum current ratio (MCR) =  crestfactor (CF)  /  power factor (PF)

Hierin is de crestfactor de verhouding tussen de gemeten piekstroom en de RMS-stroom. De power factor (vermogensfactor) is de verhouding tussen het werkelijke en het schijnbare vermogen.

 

Figuur 5. Maximum Current Ratio.

Volgens de tabel in figuur 5: U_pc = 0,02 × [1+ (0,08 × {MCR – 10})]

Voorbeeld onzekerheidsberekening: 2,04 W vermogensconsumptie, MCR = 13

U_pc = 0,02 × [1+ (0,08 × {13 – 10})] = 0,02 × [ 1 + (0,08 × {13 – 10})] = 0,0248%

De huidige normeringen en regelgevingen zijn, voor zover al beschikbaar, geïmplementeerd in speciaal hiervoor ontwikkelde testsoftware, die de gebruiker helpt bij het realiseren van een zo goed mogelijk meetrapport met data betreffende het stand-by gedrag van de desbetreffende belasting.

Newtons4th draagt hierin bij met intuïtieve software waarin merk, model, serienummer en dergelijke. van de betreffende DUT kunnen worden ingevoerd. Details over de testomgeving en de gebruikte testapparatuur worden tevens opgenomen.

Meting aan ledlamp (Zigbee-protocol)

Het hieronder vermelde testrapport geeft de resultaten weer van een stand-by meting, uitgevoerd op een 9 watt ledlamp. De hierbij geteste ledlamp kan communiceren via het Zigbee-protocol en mede daardoor deel uitmaken van een groter lichtsysteem. Een dergelijk systeem bevat een centrale controller, die door middel van het Zigbee-protocol communiceert met tientallen aangesloten, speciaal hiervoor ontwikkelde lampen. Het geheel is via een speciale app te bedienen.

Voor de meting is gebruik gemaakt van de Newtons4th power analyzer, model PPA5530, in combinatie met de stand-by power software. De weergegeven meetresultaten worden automatisch verwerkt in Excel tot een compleet rapport.

Op basis van de meting is te concluderen dat, wanneer de lamp niet brandt, er een stand-by vermogen wordt opgenomen van circa 0,3 watt. De vermogensfactor is verre van ideaal, waardoor het schijnbare vermogen op 0,9 VA uitkomt. Nu zijn deze vermogens relatief laag te noemen, maar er moet wel rekening worden gehouden met het feit dat er over een aantal jaren sprake zal zijn van miljoenen, zo niet miljarden van dergelijke lichtpunten. En dan hebben we het alleen nog maar over lichtpunten vergelijkbaar met de in dit voorbeeld gemeten ledlamp.

 

Figuur 6. Oscilloscoopbeeld van de gemeten ledlamp

Figuur 6 toont het oscilloscoopbeeld weergegeven van de desbetreffende ledlamp in de stand-by modus. Naast de sinusvormige spanning wordt ook de opgenomen stroom weergegeven. Op basis van de meetresultaten blijkt de crestfactor 6,6 te bedragen. Dit betekent een piekwaarde van ruim 27 mA ten opzichte van de RMS-stroom van 4 mA. (zie ook de figuren 7, 8 en 9)

Conclusie

De noodzaak om al tijdens de ontwikkeling rekening te houden met het stand-by vermogen en vooral de invloed van de vermogensfactor PF hierin mag evident zijn. Het correct meten van stand-by vermogen stelt dan ook eisen aan de daarvoor benodigde meet- en analyseapparatuur. Een standaard  energiemeter is, gezien de complexiteit rondom het stand-by meten, dan ook niet zonder meer geschikt. Specificaties betreffende de crestfactor en nauwkeurigheid wegen mee in het correct meten van stand-by vermogen en het bepalen van de testopstelling. Naar verwachting worden meet- en testcondities de komende jaren via internationale regelgeving verder gedefinieerd en aangepast. Newtons4th zal deze ontwikkelingen op de voet volgen en deze vervolgens verder implementeren in passende power analyse meet- en testopstellingen.

N4L – Standby Power Test Report – 62301 & 50564
N4L Stand-by Power v1.0.1.3
Test Details
Device Under Test
Brand	TT&MS LED lamp
Model	Type 01
Serial No.
Rated Voltage (Vrms)	240
Rated Current (Arms)
Rated Frequency (Hz)	50/60
Rated Power (W)	9 watt
DUT Notes
Test Environment
Lab Name	Nieuw-Vennep
Location	25
Date	27-10-2016
Time	14:43
Temperature	21
Humidity	40
Test No.	1
Test Notes
Measurement Instrument
Manufacturer	Newtons4th
Model	PPA5530
Serial No.	165-00987
Firmware Level	2.141
Nominal Test Conditions
Voltage (V)	227,949
Frequency (Hz)	50,0032
	Measured Value	Lower Limit	Upper Limit	Test Result
Vthd (%)	1,49835	0	2	PASS
Crest factor	1,38575	1,34	1,49	PASS
Test Results
Monitor
Vrms	227,885
Arms	0,00405322
Total Power factor	0,319017568
Apparent Power (VA)	0,923667
Supply Frequency (Hz)	50,0186
Load Duty Cycle (Hz)	0
Elapsed Time (mm:ss)	09:57
Standby Power
	Measured Value	Lower Limit	Upper Limit	Test Result
Power (W)	0,294666	0,28913	0,298353	STABLE
Crest factor	1,38301	1,3823	1,38782	PASS
Average Power (W)	0,2943
Accumulated Power (Whr)	0,048804634
Measurement Mode	None Cyclic
Power Gradient	1,69438E-06			PASS

Figuur 7, 8 en 9: Testrapport van de meting aan een 9 W ledlamp.

René Bos, T&M Consultant TT&Ms

TT&MS

Tel.: (0252) 62 10 80

www.ttms.nl