ELLÄRA
Ellära 2.0 pro Boken vänder sig till alla som ska läsa Ellära i samband med praktiska utbildningar. Den täcker kursen Praktisk ellära som är ett av kraven för att bli anställningsbar innom flera yrkesområden. Boken kan även användas vid företagsutbildningar och kurserna Ellära 1 och Ellära 2. Boken ger kunskaper om grundläggande elektriska begrepp och elektriska kretsars funktion med målet att ge praktiskt användbara kompetens för installations- service- och underhållspersonal. Beskrivningar av elkvalitet och elsystemets uppbyggnad vilar på en grundlig genomgång av elektriska storheter, principer och de viktigaste komponenterna.
Sven Spiegelberg
Ellära 2.0 pro Faktabok
SVEN SPIEGELBERG
ellära.se
Innehållsförteckning Ellära 2.0 PRO
1
Författarpresentation 6
3 Spänning och spänningsmätning
Förord 6 Mätövningar
6
1 Introduktion
7
Varför ellära?
8
Eldistribution
9
Vad är spänning?
Ledare och isolering
Statisk elektricitet 38 Åska 38 Kemiskt skapad spänning 38 Solceller 39 Mekaniskt skapad spänning
Metaforer och förenklade exempel
Läs manualen 42 Välja mätområde 43 Grafisk multimeter och oscilloskop
13
Likspänning och växelspänning
14
Belastningar och spänningskällor
14
Seriekopplade belastningar Seriekopplade spänningskällor Parallellkopplade belastningar Parallellkopplade spänningskällor
14 14 15 15
Spänningspotentialen 0 volt Positiva och negativa spänningar Spänningsfall 48
Växelspänning
Toppspänning 51 Momentanvärde 51 RMS-värde 52 Frekvens och periodtid 52 Potentialutjämning 54
17 18 18 18
19
Låsta utrymmen eller förbjudet att beträda
58 58
4 Ström och strömmätning 59 Ström 60
25
Nödstopp 26
Ledare 60 Ampere 61 Öppen och sluten krets 61 Strömriktning 62 Strömgrening 63 Strömgrening i elcentralen 64 Jordfelsbrytare 65 Växelström i elcentralen 67
Strömmätning
Arbeta nära spänning 26 Arbeta med spänning 26 Ansvar för utrustningar och anläggningar
27
Internationellt och nationellt regelverk
28
Ström genom kroppen 31 Bränder 32 Ljusbågsolyckor 33 Åtgärder vid elolyckor 33
50
Trefasgeneratorn 55 Huvudspänning och fasspänning 56 Omvandling från växelspänning till likspänning Omvandling från likspänning till växelspänning
Isolering och beröringsskydd 25
Elolyckor 30
46
Trefas 55
2 Elsäkerhet 24
Elsäkerhetsverket 28 Auktorisation 29 Egenkontrollprogram 29 Kontroll av utfört arbete 29
47 47
49
Spänningens sinuskurva
Gemensam grund olika tillämpningar 17
Ledare 20 Symboler 20 Strömpilar 21 Spänningspilar 21 Olika ritsätt 21 Professionella el-scheman 22 Installationsritning 23
45
Period 49 Transformatorer 50
Egenkontroll och felsökning 16 Elkvalitet 16 Fortbildning 17
El-scheman och installationsritning
39
Spänningspotential och potentialskillnad
Ellära ger en grundkompetens 16
Installations- och serviceelektriker Instrumenttekniker Larm och elektronik Mekatronik och automation
38
Spänningsmätning 41
12
Fysik 13 Matematik
35
36
Spänning kan skapas på olika sätt
Regionnät 10 Lokalnät 10
34
68
Anslutningar 69 Strömmens RMS-värde 70 Grafisk multimeter eller oscilloskop 71
Strömstyrda komponenter Dioder 72 Anod och katod 72 Framspänningsfall 72 Backspänning 73
Likriktning
72
73
Halvvågslikriktning 73 Helvågslikriktning 74 Strömförsörjning (Power Supply) Primärswitchning 75
75
3
5 Resistans och resistansmätning 76
8 Beräkning av parallell-, serie- och kombinerade kretsar 116
Resistans 77
Parallellkoppling 117
Resistans mäts i ohm 78 Ledare och isolatorer 78 Kablar 78 Kabelarea 79 Resistivitet 79 Kablar och ledarresistans 80 Kontakter och förbindningar Övergångsresistans 82
Strömgrening 118 Elcentraler och ledningsnät 118 Kabelstammar 119 Räkna ut huvud- och grenströmmar 119 Parallellkopplade resistanser 120 Parallellkopplade spänningskällor 121
81
Seriekoppling 121
Resistans i seriekoppling 122 Ström vid seriekoppling 122 Spänningsdelning 123 Delspänningar och spänningsfall 124 Givare 125 Seriekopplade spänningskällor 127 Elektromotorisk kraft (EMK) och inre resistans 127
Resistansmätning 83
Mätområde för ohm 83 Installationskontroll 84 Isolationsprov 84 Felsökning 85 Förbindelsekontroll av skyddsjord Temperaturberoende Märkning av fasta resistorer Variabla motstånd och sensorer Potentiometer 88 Halvledare 88 Diodtest 88 LED Light Emitting Diode 89 Temperaturgivare PT100 90
6 Ohms lag Ohms lag
Ekvationer Grundenheter Räkna ut spänningen (U) Räkna ut strömmen (I) Räkna ut resistansen (R) Felsökning
86 87 87 88
4
130
9 Elektriska och magnetiska fält 132 Elektromagnetiska maskiner
92
93 94 94 95 96 96
98
99
Att lagra elenergi 99 Energi mäts i kWh 100 Försäljning av elektrisk energi 100 Räkna ut effekten 101 Räkna ut strömmen 102 Räkna ut spänningen 102 Beräkna effekten med resistansen 103 Förlusteffekter 103 Förlusteffekter vid olika spänningar 103 Effektmätare 106 Effektivvärde RMS (Root Mean Square) Brumspänning 108 Glättningskondensator 108 Medeleffekt 110 Power over Ethernet 111 Effektstyrning med reläer och kontaktorer Tidskonstant RC-krets 112 Effektstyrning växelspänning 113 Framkantsstyrning 113 Bakkantsstyrning 113 Fram- och bakkantsstyrning 114 Motorskydd 115 Mjukstartare 115
129
Spänningsdelning i kombinerade kretsar Bryggkopplingar och mätkretsar 131
91
7 Effekt och effektstyrning Effekt och energi
Kombinerade kretsar
133
Permanentmagneter 134 Magnetiska material 135 Influens och magnetiskt flöde 135 Remanens 136 Hysteres 136 Magnetiska fält 137 Elektromagneter 137 Med- och motriktade elektromagnetiska fält Elektriska fält 139 Elektromagnetiska fält 140 Induktion och generatorprincipen 140 Växelströmsgeneratorn 140 Likströmsgeneratorn 141 Transformatorn 142 Omsättningstal 142 Motorprincipen 143 Likströmsmotorer 144 Växelströmsmotorer 145 Mot-EMK 145 Skyddsdioder och transientskydd 146
138
Givare 146 Induktiva givare 146 Halleffektgivare 147
107
111
10 Reaktiva laster
148
Reaktiva belastningar
149
Växelströmsmotstånd 150 Induktiva belastningar 150 Fasförskjutning 151 Spolens egenskaper 152 Kondensatorns egenskaper 153 Beräkna induktiv och kapacitiv reaktans Cirkeln, (pi) och radianer 155 Induktiv reaktans 156 Kapacitiv reaktans 156 Impedans – Z 157 Impedanstriangel 157
π
154
Pythagoras sats
13 Elkvalitet 202
158
Spänningstriangeln 159 Effekt i belastningar med fasförskjutning Aktiv effekt 160 Skenbar effekt 160 Reaktiv effekt 161
Sinus, cosinus och tangens
Effektberäkning i reaktiva kretsar Faskompensering 166 Direkt kompensering 166 Central kompensering 167 Beräkning av faskompensering Filter 170 Nominell impedans 171 Högpassfilter 171 Lågpassfilter 172 Bandpassfilter 172 Bandspärrfilter 172 Svängningskrets 173
11 Trefas
174
Fördelar med trefas
175
164 165
167
203
Symtom på dålig elkvalitet 203 Arbetsmiljö och elkvalitet 205 När du ställs inför ett problem 205 Elektromagnetisk kompatibilitet – EMC Samarbete tekniker och elektriker 207 Praktiska exempel 207 Mätinstrument för elkvalitet 208 Samband driftstörning och mätvärde Frekvensspektra 209 Störkällor 210 Reaktiva störkällor 210 Olinjära laster och övertoner 211
Induktiv koppling 216 Kapacitiv koppling 216 Elektromagnetisk strålning (radiostrålning) Ledningsbundna störningar 216 Vagabonderande strömmar 216 Helhetssyn på anläggningen 218
176
179
183
Effekt vid Y- och D-koppling 183 Effektberäkningar trefas 184 Strömmar vid Y- och D-koppling 184 Effekt i trefaskretsar med reaktiv belastning Faskompensering av trefas 187
12 Jordsystem och PEN-ledare
206
208
Skyddsjord och skyddsledare 191 Neutralpunkt 192 Jordtaget i mark 192 Markresistans 192 Internationell standard för skyddsjord TN-system 193 TN-S separat neutralledare 194 TN-C kombinerad N- och PE-ledare 194 TN-C-S delvis kombinerad N och PE 196 Skärmade kraftkablar 196
197
Skyddsutjämning främmande ledande del Funktionsutjämning 198 Signaljord 199 Skärmning 200 Jordning av fastighetsnät 201
Definitioner av avvikelser
216
218
Underspänning (Sag) 219 Överspänningar (Surge) 219 Transienter (Spike) 220 Kopplingsstörning 221 Övertoner (Harmonics) 221 Mäta övertoner 223 THD Total Harmonic Distortion 224 CF Crestfaktor 225 Flicker 225 Fasläget cos ϕ 226 UPS (Uninterruptible Power Supply) 226 Online-UPS 227
14 Kontroll och felsökning 228 Omfattning av installationskontroll 186
190
Jordning 191
Potentialutjämning
Elmiljö och elkvalitet
Kopplingsvägar 215
Huvudspänning och fasspänning 175 Fasföljd och beteckningarna L1, L2 och L3 D-koppling 176 Y-koppling 176 Neutralpunkt 177 Virtuell neutralpunkt 177 Y/D-start av motorer 178 Huvudström (linjeström) och fasström Symmetrisk belastning 179 Momentanvärden i 3-fasnät 180 Osymmetrisk belastning 181 Strömmar i neutralledaren 182
Effekt i trefassystem
160
193
197
Inspektion 229 Felsökning 229
229
Mätningar 229
Mätning av isolationsresistans 230 Förbindelsekontroll (kontinuitetstest) 230 Jordfelsbrytartest 231 Utlösningsvillkor 232 Loopimpedans 232 Linjeimpedans 233 Förimpedans 233 Felkretsimpedans 234 Kortslutningsström 234 Brytförmåga 234 Enfas kortslutning IK1 235 Tvåfas kortslutning IK2 236 Trefas kortslutning IK3 236 Jordfelsström 237 Spänningsfall i kablar 237 Fasföljdsmätning 237
5
Författarpresentation Jag heter Sven Spiegelberg och driver bolaget Sven Spiegelberg AB som utvecklar läromedel, komponentsatser och laborationsutrustning för yrkesutbildning. Jag är yrkeslärare med en bakgrund som servicetekniker inom elektronik, finmekanik, datakommunikation och analys av elkvalitet. Jag har en yrkeslärarexamen och många års erfarenhet av undervisning på elprogrammet. År 1996 började jag som förlagsredaktör och projektledare på Liber AB, där jag utvecklade läromedel för elprogrammet och fordonsprogrammet fram till 2008.
Förord
Sven Spiegelberg
Ellära 2.0 PRO siktar på att förbereda installationselektriker, serviceelektriker, industrielektriker och automationstekniker för att kunna hantera professionella mätinstrument och manualer vid kontroll och felsökning i elanläggningar. Ellära utgör en minsta gemensam nämnare för alla som på ett eller annat sätt jobbar med el. Spänning, ström och resistans är alla abstrakta begrepp och jag vill ge en förståelse för begreppen innan vi går in på sambanden och matematiken. Det finns stora vinster med att aktivt integrera elläran med övriga kurser på utbildningen och komplettera teorin med praktiska mätövningar. För mer information om integrering och mätövningar se www.ellara.se och www.spiegelberg-forlag.se.
Mätövningar Till samtliga kapitel i boken finns det mätövningar som utförs på en modell av ett lågspänningsnät. Alla ledare har realistiska resistanser vilket gör det möjligt att mäta hur olika belastningar påverkar elnätet med spänningsfall, effektförluster, övertoner och vagabonderande strömmar. Systemspänningen är 40 V vilket gör en säker miljö för mätövningarna. För mer information om mätövningar se www.ellara.se.
Bilden visar laborationsutrustning som utvecklats av Sven Spiegelberg AB, för mer information se www.ellära.se.
6
1 Introduktion
Syftet med första kapitlet är att du ska få kunskap om ämnet ellära, ämnets karaktär och de sammanhang där du behöver kunskaper inom ellära för att kunna utvecklas som tekniker. Målet är att du ska utveckla kompetens att överblicka ämnets roll i din utbildning och de kunskaper som förväntas av dig. När du studerar ellära utvecklar du ett sätt att tänka och lär dig tillämpa metoder för att lösa tekniska problem. Det är lite som att nå nästa nivå i ett dataspel. Du får börja på en låg nivå, träna och skaffa erfarenheter så att du kan bemästra nästa nivå. I kapitlet vill vi ge dig en förståelse för den processen.
7
Varför ellära? Kunskaper inom ellära utgör en viktig baskunskap i många olika yrken. De ger dig möjlighet att förstå instruktioner, standarder, föreskrifter och att tolka mätvärden. Lagen kräver att alla elinstallationsföretag har egenkontrollprogram med rutiner som beskriver hur varje elinstallationsarbete ska kontrolleras. Du behöver elläran för att kunna bedöma en anläggning och vilka rutiner som ska användas. Ett mål för boken är att du ska kunna tolka de mätvärden som mätinstrument och installationsprovare levererar vid felsökning och kontroll innan en komplex anläggning får tas i bruk. I första kapitlet ska vi introducera dig till begrepp och principer som beskrivs i detalj längre fram.
Elkraftproduktion
Bilden visar professionella instrument som används vid felsökning och anläggningskontroll.
Den el vi använder skapas huvudsakligen i stora vattenkraftverk i norra Sverige och kärnkraftverken i södra delen av landet. De kompletteras med mindre värmekraftverk som till exempel Igelsta värmekraftverk i Södertälje som vi ser här på bilden.
Generatorn i Igelsta värmekraftverk.
Produktionen måste hela tiden vara lika stor som förbrukningen, eftersom vi inte kan lagra el. Vattenkraften är lätt att reglera och anpassa till behovet och utgör därför en balanskraft när produktionen från småskalig solel och vindkraft varierar.
Bilden visar ett vattenkraftverk och turbinerna som driver generatorerna.
8
Vattenkraften jämnar ut den varierande produktionen från vind- och solel.
2 Elsäkerhet Syftet med kapitlet är att du ska få kunskap om det regelverk och de arbetsrutiner som bygger upp elsäkerhet och som styr allt arbete med el. Du ska förstå vad som är ditt ansvar och hur elsäkerhet skapas genom en kombination av regelverk och arbetsrutiner. Målet är att du ska utveckla den kompetens du behöver för att vistas i lokaler där det pågår elinstallationsarbete, och att kunna utföra dina första praktiska övningar på ett säkert sätt. Riskerna med el har dokumenterats under lång tid och det har lett fram till ett omfattande regelverk som gjort våra elanläggningar mycket säkra. Men säkerheten bygger på att du tillämpar och förstår regler och arbetsrutiner. Du kommer att behöva kunskaper inom ellära för att tolka regler, mätvärden och standarder. Så fort du öppnar locket på en dator eller ett elskåp har du tagit bort en av de skyddsnivåer som tillverkaren försett utrustningen med. När du tar bort skyddet ställs krav på dig att du kan bedöma riskerna. Glömmer du att återställa skydd eller lämnar skåp eller utrustning oskyddade kan du bli ansvarig för skador som uppstår.
24
Isolering och beröringsskydd Säkerheten i elektriska anläggningar och apparater bygger på att ledande delar som är kopplade till en elektrisk spänning inte kan beröras. I hem, kontor och vanliga fastigheter skyddas spänningssatta delar av en eller flera isolerande höljen. Kraven på isolering i olika miljöer beskrivs som kapslingsklasser i IP-standarden. Många av de olyckor som sker med el beror på skador i det isolerande höljet. Kontakt enligt standarden IP 44 godkänd för utomhusbruk.
Ledare
Isolering
Bilden visar ett Schuko-uttag där de spänningsförande delarna skyddas mot beröring enligt standarden IP 21 som gäller för kontor och lägenheter inomhus.
Låsta utrymmen eller förbjudet att beträda Inom industrin, järnväg och eldistribution har spänningsförande delar ingen isolering utan skyddet skapas genom att vissa områden inte får beträdas utan att spänningen slagits av.
Järnvägens kontaktledningar är oisolerade och utgör ett exempel där skyddet bygger på att ingen kan nå dem och att området är förbjudet att beträda.
25
3 Spänning och spänningsmätning Syftet med kapitlet är att du ska få kunskap om elektrisk spänning, hur du mäter den och hur den uppträder i elektriska kretsar. Målet är att du ska utveckla kompetens att mäta både lik- och växelspänning i kretsar samt bedöma dina mätresultat. Inget kan ske i en elektrisk krets utan spänning, därför är spänningen ett av de viktigaste begreppen att förstå i elläran. Spänningen är förutsättningen för att det ska kunna flyta en ström i en krets. Spänningen representerar också logiska tillstånd i digitala kretsar och mätvärden från givare i mätkretsar. En stabil spänning är en förutsättning för att undvika driftstörningar. Det gör att spänningsmätning är den vanligaste åtgärden vid felsökning.
© Fluke Corporation
© Fluke Corporation
34
Vad är spänning? Elektrisk spänning kan jämföras med spänningen i en pilbåge innan skottet går. Den spända strängen i bågen vill skjuta iväg pilen som får representera strömmen. Det är spänningen som sätter elektronerna (strömmen) i rörelse.
+
-
Elektrisk spänning kan vi likna vid spänningen i pilbågen som vill driva fram pilen (strömmen). Vi säger att kraften är riktad från plus mot minus.
Det är mycket viktigt att du förstår skillnaden på ström och spänning. Spänningen kan också liknas vid trycket som bildas av nivåskillnaden mellan två vattenytor medan strömmen motsvarar flödet i röret i bilden nedan.
Normalt råder en naturlig balans mellan de negativa elektronerna och den positiva atomkärnan.
Spänningen kan liknas vid trycket som nivåskillnaden skapar medan strömmen kan liknas med flödet i röret.
Plus- och minuspol
I ett batteri skapas på kemisk väg en obalans med positiva och negativa laddningar.
Alla material är uppbyggda av atomer. Atomer består av en atomkärna som är positivt laddad och ett antal elektroner med lika stor, fast negativ laddning. I ett batteri har på kemisk väg skapats en obalans med ett överskott av elektroner vid den negativa (–) polen och ett underskott vid den positiva (+) polen. Atomer som har obalans i elektrisk laddning kallas positiva eller negativa joner. 35
4 Ström och strömmätning Syftet med kapitlet är att ge dig kunskap om elektrisk ström, hur du mäter den och hur den uppträder i elektriska kretsar. Målet är att du ska utveckla kompetens att mäta både lik- och växelström i olika kretsar samt bedöma dina mätresultat. När vi talar om elektrisk ström menar vi elektroner som rör sig från en plats till en annan. Om det ska kunna utföras ett arbete i en elektrisk krets, som att driva en motor eller värma ett element måste det flyta en ström genom den. Det förutsätter att vi har en spänning som kan driva fram strömmen och en sluten krets. Vad en sluten krets innebär kommer vi att lägga stor vikt vid i det här kapitlet.
59
Ström Elektrisk ström är elektroner i rörelse. Vi kan likna strömmen vid pilen som spänningen i en pilbåge sätter i rörelse.
Spänningen kan liknas vid kraften i en pilbåge och strömmen vid pilen som sätts i rörelse. Pilen får då motsvara elektronerna.
För att elektronerna ska kunna förflytta sig behövs det en spänning som kan driva fram dem och ett elektriskt ledande material som de kan röra sig i.
Ledare
Fysikerna bestämde på 1800-talet att strömmen gick från pluspolen till minuspolen. När elektronernas rörelse väl kunde påvisas, upptäcktes att de i verkligheten rörde sig från minus till plus. Men då var begreppet plus och minus så inarbetat att man i dagligt tal fortsätter att säga att strömmen går från plus till minus.
Ledare
Nivåskillnaden mellan kärlen kan liknas vid spänningen, röret vid en ledare och vattenflödet vid strömmen.
Nivåskillnaden mellan kärlen i bilden kan representera spänningen. Röret mellan kärlen representerar ledaren och flödet i röret strömmen. Spänningen kommer att driva fram elektroner ända tills det inte längre finns någon potentialskillnad. Då upphör strömmen och batteriet i exemplet är urladdat.
Ledare Elektronerna behöver ett elektriskt ledande material för att kunna förflytta sig. I kablar för eldistributionsnätet används ofta aluminium och i fastighetsinstallationer används koppar som ledare. Metallerna har lite olika för- och nackdelar som vi kommer att behandla i kapitlet "Resistans och resistansmätning". 60
När det flyter en elektrisk ström i en ledare innebär det att elektroner rör sig i materialet.
5 Resistans och resistansmätning Syftet med kapitlet är att ge dig kunskap om elektriskt motstånd och resistansens betydelse i isolering, belastningar och ledningsnät. Målet är att du ska utveckla kompetens att mäta resistans samt bedöma resistansens inverkan på strömmar och spänningar i en krets. I en krets ska det elektriska motståndet vara lågt i ledningarna så att strömmen lätt kommer fram. Resistansen ska vara hög i isoleringen för att undvika beröring av spänningsförande delar. I belastningarna ska resistansen inta ett värde som ger kretsen rätt belastningsström.
76
Resistans Elektronerna kan inte förflytta sig i en ledare utan att möta ett visst motstånd. Elektriskt motstånd kallas också resistans. I ledningar vill vi ha lågt motstånd, så att strömmen lätt kommer fram. I en förbrukare, som till exempel en lampa, ska motståndet vara anpassat för att begränsa strömmen till en lämplig nivå. Om en förbrukare inte utgör något motstånd får vi en strömrusning, eller med ett annat ord, kortslutning.
När elektronerna passerar genom en ledare möter de ett visst motstånd, precis som pilen möter luftmotstånd på sin färd mot måltavlan.
Tittar vi på en enkel krets med ett värmeelement som matas med en skarvsladd, så ska ledarna fram till elementet vara tjocka och av ett material med bra ledningsförmåga. Då kan strömmen lätt nå elementet. Värmeslingorna i elementet ska vara smalare och av ett material med högre resistans. Där bromsas elektronerna upp och friktionen ökar så att vi får en värmeutveckling.
Värmeelement
Vi kan likna kablarna fram till elementet med de tjocka rören och värmeslingorna i elementet där elektronerna bromsas upp med det tunna röret.
77
6 Ohms lag Syftet med kapitlet är att ge dig kunskap om sambandet mellan spänning, ström och resistans samt färdigheter att göra beräkningar med Ohms lag. Målet är att du ska utveckla kompetens att analysera och beräkna kretsar med hjälp av Ohms lag. Det var en viktig upptäckt när Georg Simon Ohm år 1827 lyckades bevisa ett matematiskt samband mellan spänning, ström och resistans. Det öppnade möjligheter att beräkna, konstruera och felsöka elektriska kretsar. Sambandet kan beskrivas med en liten ekvation: U = I x R.
I =
U R
I =
3V 300 Ω
I = 001 A I = 10 mA
91
Ohms lag Ohms lag beskriver sambandet mellan spänning, ström och resistans och är den viktigaste principen inom elläran. Det finns tillfällen när du behöver räkna ut en storhet som kan vara svår att mäta. Du kan också behöva räkna ut en ström för att dimensionera t ex en säkring eller kabel. Vid praktisk felsökning är Ohms lag något du ska ha i bakhuvudet, som ett stöd för hur du ska tänka. När resistansen ökar i en krets kommer strömmen att minska. Hur mycket den minskar kan du få svar på genom att använda Ohms lag. Om du vet värdet på två av de tre storheterna spänning, ström och resistans kan du alltid räkna ut den tredje. Enligt Ohms lag är U = I x R, där U är spänningen, I strömmen och R resistansen.
U = I×R Ohms lag utgör även grunden för mer komplicerade samband som råder i växelströmskretsar, där även frekvensen påverkar motståndet. Genom att mäta ström och spänning kan du t ex beräkna resistansen i en komponent och jämföra mot värdena i schemat för kretsen eller värden som står på komponenter.
När röret blir tunnare ökar motståndet. Med hjälp av Ohms lag kan du beräkna hur stor strömmen blir vid en viss spänning och resistans.
92
• U = spänning • I = ström • R = resistans
7 Effekt och effektstyrning Syftet med kapitlet är att ge dig kunskap om elektrisk effekt och energi samt färdigheter att mäta och beräkna effektförluster och energiförbrukning. Du ska också utveckla kunskaper om metoder för effektstyrning. Målet är att du ska utveckla kompetens att bedöma vilka mätmetoder som är lämpliga för att kontrollera en belastning och avgöra hur stor effekt den levererar. Alla anläggningar konstrueras för en viss maxbelastning. Det är viktig att kunna avgöra om någon del i anläggningen blir överbelastad. Vid förändringar eller kompletteringar är det viktigt att kunna bedöma, beräkna eller mäta effektutveckling.
© Fluke Corporation
98
James Watt levde mellan 1736 och 1819. Han beskrev skillnaden mellan arbete och effekt, och skapade enheten Horse Power. Inte förrän 1960 fastställdes den internationella standarden SI. SI-enheten för effekt har uppkallats efter James Watt.
Effekt och energi Om två personer springer en kilometer, har de utfört samma arbete och förbrukat lika mycket energi. Men om den ena gjorde det på halva tiden utvecklade den personen dubbel så stor effekt. Förbränningsmotorn i en bil omvandlar kemisk energi i drivmedlet till rörelseenergi och värmeenergi. Effekten är ett mått på hur mycket energi som omvandlas vid ett visst tillfälle. Effekten anges i watt eller hästkrafter. En hästkraft motsvarar 735 W. Energiinnehållet i bränslet mäts däremot i joule. I ett värmekraftverk tillförs energin i form av till exempel träflis. Värmekraftverkets förmåga att omvandla träflisen till värme och elektricitet anges i watt. Den el som produceras från träflis kan vi sedan åter omvandla till ljus, mekanisk energi eller värme. Effekten på ett värmeelement beskriver dess förmåga att omvandla elektrisk energi till värmeenergi.
Det här elementet är konstruerat för att omvandla 400 Watt elektrisk energi till värme.
Energin kommer till värmekraftverket i form av träflis. Energiinnehållet i träflisen mäts i joule.
Bilden visar generatorn i Igelsta kraftvärmeverk. Här omvandlas den heta ångan som skapas vid förbränningen av flis till mekanisk energi som driver generatorn, vilken i sin tur omvandlar mekanisk energi till elektrisk energi.
Att lagra elenergi
Vattenkraften fungerar som balanskraft, och kan utjämna produktionen när vindoch solel varierar.
Ett stort problem med el är att den är svår att lagra. Vi får istället lagra energin i vattenmagasin, olja, flis eller uran. Elproduktionen i Sverige måste hela tiden balanseras mot förbrukningen för att frekvensen i elnätet ska hållas konstant. Om elförbrukningen minskar när utomhustemperaturen stiger så kommer generatorerna att gå lättare, och då ökar varvtalet och frekvensen. Då måste produktionen minskas för att motsvara den aktuella belastningen. Vattenkraften fungerar som en balanskraft som kan utjämna produktionen när vind- och solel varierar. Det sker en intensiv utveckling av ackumulatorer, men de har nu 2020 liten inverkan på balansen mellan elproduktion och förbrukning. 99
8 Beräkning av parallell-, serie- och kombinerade kretsar Syftet med kapitlet är att du ska få kunskap om beräkning av resistans, delspänningar och grenströmmar i parallell-, serie- och kombinerade kretsar. Målet är att du ska utveckla kompetens att analysera grenströmmar, ersättningsresistanser och spänningsdelning i kombinerade kretsar. Ett elsystem består av både serie- och parallellkopplade kretsar. För att felsöka behöver du kompetens att analysera och identifiera serie- och parallellkopplingar. Ett exempel är att belastningarna kopplas in parallellt men att servisledning, huvudledning och gruppledning bildar en seriekoppling.
116
Parallellkoppling I ett elsystem är de flesta belastningarna parallellkopplade. När du parallellkopplar komponenter eller kretsar kommer de att anslutas till samma spänning. Strömmen genom dem kan däremot vara olika stor och beror på resistansen i varje belastning. Ett exempel är när vi ansluter flera apparater till samma spänning i ett vanligt grenuttag.
Ett grenuttag är ett exempel på parallellkoppling där alla enheter får samma spänning, men strömmen kan vara olika stor till de anslutna enheterna.
Strömmens storlek kommer att bestämmas av resistansen som därmed bestämmer effekten i varje belastning. Om vi kopplar för mycket energikrävande utrustning till ett uttag kan delar av kretsen eller säkringen överbelastas.
5W
25 W
Lamporna är kopplade till samma spänning, men strömmen kommer att bli olika stor eftersom de har olika resistans och effekt.
Strömmens storlek beror på resistansen i de parallellkopplade kretsarna. Det tjockare röret får motsvara 25 W och det smala 5 W.
117
9 Elektriska och magnetiska fält
Syftet med kapitlet är att beskriva hur elektromagnetism utnyttjas i olika maskiner. Vi ska också beskriva hur induktion, elektriska fält och magnetiska fält påverkar ledare och metallkonstruktioner. Målet är att du ska kunna bedöma verkan av elektriska fält, elektromagnetism och induktion samt kunna identifiera komponenter som utnyttjar principerna. Runt kraftledningar och transformatorer skapas betydande elektriska och magnetiska fält. Föreskrifter och standarder utvecklas för att begränsa personers exponering för elektriska och magnetiska fält. I elmotorer är elektromagnetism länken mellan el och mekanik. Överallt där elektrisk energi ska omvandlas till rörelse används magnetism. Principerna för elektromagnetism utgör också grunden för transformatorerna.
132
Elektromagnetiska maskiner Elektromagnetism utnyttjas i många elektriska maskiner och är en viktig förutsättning för att vi kan göra så mycket med elektricitet. På 1800-talet upptäckt man att elektriska ledare omgavs och påverkas av magnetfält. Det startade en fantastisk utveckling. Först formulerades generator- och motorprincipen. Sedan utvecklades generatorer, motorer, transformatorer, elektromagneter, mikrofoner, högtalare och olika sensorer.
Transformator.
Elektromagnet.
Högtalare.
Elmotor.
Elmaskiner som utnyttjar elektromagnetism för sin funktion får speciella elektriska egenskaper och kallas induktiva belastningar. Induktiva belastningar påverkar matande strömmar och spänningar så att de inte når sina toppvärden samtidigt. I kapitlet ”Reaktiva laster” kommer vi att beskriva de elektriska egenskaperna hos elektromagnetiska maskiner. I det här kapitlet koncentrerar vi oss på de magnetiska egenskaperna. Elmotorer är en av de vanligaste tillämpningarna av elektromagnetism. I elläran använder vi förenklade modeller av fysiken, och det gäller även när vi beskriver magnetismen. Att i detalj beskriva magnetiska flöden kräver avancerad matematik, så vi kommer att koncentrera oss på att visa hur de grundläggande principerna tillämpas i vardaglig teknik.
Magnetiska egenskaper
Elektriska egenskaper En elektromagnet har både magnetiska och elektriska egenskaper.
133
10 Reaktiva laster Syftet med det här kapitlet är att beskriva det frekvensberoende elektriska motståndet i växelströmskretsar och den tidsförskjutning mellan spänning och ström som uppstår i de flesta elsystem. Målet är att du ska förstå skillnaden mellan resistiva och reaktiva belastningar och kunna beräkna effekt, växelströmsmotstånd och fasförskjutning i kretsar med reaktiv belastning. Tillämpningarna av de här principerna stöter du på så fort du ska beräkna effekt i en växelströmskrets där det ingår t ex elmotorer, eller om du behöver mäta den verkliga effektutvecklingen i en krets med induktiva laster. De grundläggande begrepp som förklaras här krävs också för att förstå överföring av signaler med lite högre frekvenser och elkvalitet.
148
Reaktiva belastningar I det här kapitlet ska vi behandla det frekvensberoende växelströmsmotståndet och den tidsförskjutning mellan ström och spänning som uppstår i reaktiva laster. Växelströmsmotstånd kallas på fackspråk för impedans och det är sammansatt av ett frekvensberoende motstånd och det vanliga resistiva motståndet som inte påverkas av frekvensen. Det är framför allt spolar och kondensatorer som påverkar storleken på växelströmsmotståndet i en krets.
I reaktiva kretsar uppstår en tidsfördröjning mellan ström och spänning.
Z
I spolar och kondensatorer uppstår frekvensberoende reaktivt motstånd och en tidsförskjutning mellan spänning och ström.
En reaktiv belastning, som till exempel en motorlindning, innehåller en spole som har både ett resistivt motstånd och ett frekvensberoende reaktivt motstånd. De reaktiva motståndet skapar en tidsförskjutning mellan ström och spänning som på fackspråk benämns fasförskjutning. Fasförskjutningen minskar den aktiva effekten och blir därför viktig vid beräkning av effekten i växelströmskretsar. Det är den aktiva effekten som vi kan omsätta till ljus, värme eller mekanisk rörelse.
Ω En motorlindning har ett frekvensberoende växelströmsmotstånd och ett resistivt motstånd i ledaren.
Elmotorer och lågenergilampor är två exempel på belastningar som kan orsaka fasförskjutning.
Du måste vara medveten om fasförskjutning och att motståndet i växelströmskretsar är frekvensberoende när du felsöker eller bygger om en växelströmsanläggning. I eldistributionsnätet och inom industriområden måste storleken på fasförskjutningen övervakas och regleras för att anläggningen ska fungera effektivt.
149
11 Trefas
Syftet med kapitlet är att du ska få kunskaper om principerna för trefas samt de grundkopplingar som den bygger på. Du ska också utveckla färdigheter att beräkna strömmar och effekter i trefaskretsar. Målet är att du ska utveckla kompetens att identifiera Y- och D-kopplingar samt att välja rätt mät- och beräkningsmetoder för bedöma strömmar och effekter i trefasnät. Trefas stöter du på i varje elcentral och elinstallation, de allra flesta elmotorer är också trefaskopplade. Om du arbetar med datorer eller styrsystem behöver du ha förståelse för trefassystemet om du får problem orsakade av elkvaliteten.
I
Huvudspänning 120° Fa
120°
174
ing
nn
ä ssp
120°
Fördelar med trefas Hela det svenska elnätet bygger på tre separata ledare som går från kraftverket ända fram till gruppcentralen. Trefassystemet gör det möjligt att transportera stora mängder energi och konsumenten får tillgång till två olika spänningar på 230 V och 400 V. Med trefas är det lätt att skapa roterande magnetfält vilket underlättar konstruktionen av elmotorer. Kraftledningarna har tre ledare som ibland dubbleras till 6. På vissa sträckor fins även en extra jordledare.
Bilden visar hur vi kan överföra lindningarnas spänningar till ett diagram.
I trefasgeneratorn har tre separata lindningar som ger tre spänningar förskjutna 120 grader.
Grundprincipen för trefas är att förse en generator med tre lindningar som ligger 120 grader förskjutna i förhållande till varandra. Resultatet blir tre separata spänningar med 120 graders förskjutning. Om vi räknar ihop momentanvärden var som helst i ett trefasdiagram, blir summan av de tre spänningarna noll. För att minska ledningsförluster höjs spänningen i de stora kraftledningarna till 200 eller 400 kV. När avstånden till förbrukarna minskar sänks spänningen i transformatorstationer till nivåer som är lättare att hantera. När vi väl får in spänningen i fastigheten har spänningen sänkts till 400 volt huvudspänning mellan faserna, och 230 volt mellan fas- och neutralledare.
Huvudspänning och fasspänning Summan av momentanvärdena på spänningen är alltid noll
Huvudspänning 120° 120°
ing
n än
ssp Fa 120°
Bilden visar spänningarna som vektorer i enhetscirkeln. Sträckan mellan två fasspänningar motsvarar huvudspänningen som är 1.73 gånger fasspänningen, vilket också uttrycks som √3.
Varje lindning i generatorn skapar en spänning som vi kallar fasspänning. Spänningen mellan fasspänningarna är högre och kallas huvudspänning. Vi kan använda enhetscirkeln för att visa varför spänningen blir högre mellan fasspänningarna. Vi sätter in tre vektorer i enhetscirkeln. Vektorerna får representera fasspänningarna förskjutna 120°. Avståndet mellan dem representerar huvudspänningen, och den vektorn är längre än fasspänningarna. Huvudspänningen är lika med fasspänningen multiplicerat med roten ur tre, √3, som är 1,73. När du räknar på strömmar, spänningar och effekter i trefassystem kommer du att stöta på √3 och det är geometrin mellan fas- och huvudspänning som är bakgrunden till att talet används. 175
12 Jordsystem och PENledare
Syftet med kapitlet är att ge dig kunskap om neutral- och skyddsledarnas funktion samt de olika principer som används för att skapa neutral- och skyddsledare. Du behöver också utveckla färdigheter i att kontrollera systemen. Målet är att du ska utveckla kompetens att kunna bedöma funktionen, felsöka och kontrollera jordninssystemet före drifttagning. Avbrott i återledaren till transformatorn är ett av de farligaste elfelen. Det kan sätta skyddsjorden ur funktion och spänningssätta skyddsjordade delar. Det kan också skapa farliga överspänningar mellan fas och neutralledare. I vissa installationer överbelastas återledaren, vilket kan orsaka vagabonderande strömmar, avbrott eller driftstörningar i maskiner. TN-system Transformator
L1 L2 L3 N PE
190
Förbrukare
Benämningen "utsatt del" används i föreskrifter och standarder och beskriver: "Ledande del av elmateriel, som normalt inte är spänningssatt, men som på grund av fel i den grundläggande isoleringen kan anta en farlig spänning".
Jordning Begreppet jordning innefattar flera olika tekniska system. Det vi till viss del behandlat är skyddsjordning. Skyddsjordningen utgör en central del i elsystemet, och övriga jordsystem som potentialutjämning, funktionsjordning, åskskydd och signaljordar måste anslutas rätt i förhållande till skyddsjorden.
Skyddsjord och skyddsledare Det är nödvändigt att bygga in flera nivåer av säkerhet i elsystemen för att undvika olyckor. Isolering är den viktigaste nivån, men uppstår det skador på den kan utsatta delar på maskiner och elmateriel bli spänningssatta. Vid isolationsfel är det skyddsledare som ska säkerställa att det inte uppstår farliga potentialskillnader mellan mark, byggnader, elmateriel och utsatta delar på maskiner. Vid kortslutning mot utsatt del ska skyddsledaren säkerställa att strömmen blir så stor att säkringen snabbt löser ut. Vi kan skapa en jordpotential på flera olika sätt, men vanligast är att den skapas i ett jordtag vid den transformatorstation som matar ett område.
Bilden illustrerar markens jordpotential, även kallad sann jord, som en vattenyta. Vid isolationsfel är det skyddsledaren som ska garantera att det inte uppstår farliga spänningar mellan olika föremål, mark och byggnadsdelar.
Internationell standard för beteckning av fas-, neutral- och skyddsledare:
• Fasledare 1 betecknas L1 • Fasledare 2 betecknas L2 • Fasledare 3 betecknas L3 • Neutralledare betecknas N • Skyddsledare betecknas PE (Protective Earth) • Kombinerad skydds- och neutralledare betecknas PEN (Protective Earth/Neutral) 191
13 Elkvalitet Syftet med kapitlet är att ge dig kunskap om de begrepp som definierar elkvalitet samt hur belastningar påverkar spänningar, strömmar och frekvenser så att det kan uppstå störningar i elsystemet. Målet är att du ska utveckla kompetens för att mäta och bedöma om det finns anledning att kontrollera elkvaliteten samt kunna föreslå förändringar i system som kan minska risken för driftstörningar. Många belastningar innehåller kraftelektronik som genererar störningar. För det mesta är det inga problem. Men vid en olycklig kombination av störande utrustning och känslig utrustning kan det uppstå driftstörningar i datorer eller elektroniksystem. Dålig elkvalitet kan också visa sig som överbelastningar av kontaktpunkter, vagabonderande strömmar eller komponenter som ofta går sönder.
202
Elmiljö och elkvalitet Många av de belastningar som ansluts i ett elsystem påverkar strömmar och spänningar i anläggningen. Begreppet elmiljö beskriver den elektriska miljö vi har i en anläggning och de är stor skillnad på en kontorsmiljö och tung industri. Begreppet elkvalitet beskriver hur väl den el som levereras uppfyller de specifikationer och förväntningar kunden har. Elkvalitet innefattar både hur stabil spänningen är och leveranssäkerheten. Elkvalitet kommer också in som en del i arbetsmiljöarbetet. Blinkande ljus, så kallat flicker, samt elektriska och magnetiska fält kan ge upphov till både fysiologiska och psykologiska problem hos människor. De vanligaste problemen är olika former av spänningsvariationer och övertoner som är multipler av grundtonen 50 Hz.
Symtom på dålig elkvalitet Olika yrkesgrupper kan se på elkvalitet från lite olika utgångspunkter. Elektriker kommer oftast i kontakt med elkvalitet när delar av elsystemet blir överbelastat, utrustningar inte lämnar den effekt som de ska eller när de upptäcker spänningspotentialer som driver fram vagabonderande strömmar i byggnadsdelar utanför elsystemet.
Mätning av elkvalitet kräver instrument som kan analysera ström, spänning och övertoner under en längre tid och spara flera olika typer av mätvärden.
Tele- och datatekniker kommer i kontakt med elkvalitet när utrustningar ofta går sönder eller när de har driftstörningar. Elsystemets ledningar kan överföra störningar med både höga och låga frekvenser mellan olika utrustningar. Även kortvariga över- eller underspänningar kan ge upphov till driftstörningar. Telesystem och datanät kan också påverkas av vagabonderande strömmar som skapar olika jordpotentialer i en fastighet. 203
14 Kontroll och felsökning Syftet med kapitlet är att ge dig kunskap om de mätningar som kan behöva utföras vid kontroll av anläggningar och en bakgrund till de mätvärden som installationstestarna kan dokumentera. I elinstallationsföretagens egenkontrollprogram ska rutiner för kontroll av olika typer av anläggningar dokumenteras. Du behöver kunskaper för att kunna avgöra vilka rutiner som är lämpliga för en anläggning. En komplex anläggning med småskalig elproduktion, laddstationer eller olinjära laster behöver en mer omfattande kontroll. Målet är att du ska utveckla kompetens att självständigt bedöma hur omfattade en anläggningskontroll behöver vara och att du kan bedöma mätvärden. Som ansvarig på ett elinstallationsföretaget måste du kunna bedöma vilka rutiner som ska användas vid kontroll före drifttagning. De mätvärden som ska dokumenteras finns specificerade i rutiner, tekniska beskrivningar, standarder och föreskrifter. I kapitlet ska vi beskriva de mätinstrument som är direkt anpassade för att mäta, dokumentera och felsöka en anläggning.
228
Omfattning av installationskontroll Lagen kräver att alla elinstallationsföretag har egenkontrollprogram med system och rutiner som beskriver hur varje elinstallationsarbete ska kontrolleras och fel åtgärdas. Alla installationer ska kontrolleras "i betryggande omfattning" innan de spänningssätts. Det finns ingen normerad lägstanivå för att uppfylla lagstiftningens krav. Vid arbete i en liten anläggning kan det räcka med en enkel rutin med kontinuitetstest av PE-ledare och prov av jordfelsbrytaren med testknappen. För att uppfylla lagstiftarens krav "i betryggande omfattning" vid arbete i en komplex anläggning med olika typer av laster måste företaget utarbeta rutiner för mer omfattande kontroller och dokumentation. I egenkontrollprogrammet kommer det finnas olika rutiner beroende på arbetets art. Den ansvarige på elinstallationsföretaget måste kunna bedöma vilka rutiner som ska följas. Det får inte finnas några kvarstående fel efter spänningssättning. Den metod som elinstallationsföretaget tillämpar vid ett arbete ska beskriva vad som ska kontrolleras, dokumenteras och hur fel ska avhjälpas. Om företaget eller beställaren kräver provning enligt svensk standard måste alla krav i standarden uppfyllas. Det har utvecklats testinstrument som på ett automatiserat sätt genomför och dokumenterar standardiserade kontroller. De instrumenten kan också vara effektiva verktyg vid felsökning. Vi har valt att beskriva två olika instrument: Eurotest XC och CA 6116.
Eurotest XC
CA 6116
Bilderna visar två olika installationstestare Eurotester XC och CA 6116
Inspektion Den visuella inspektionen är alltid en första och viktig åtgärd. Ett tränat öga hittar de flesta felen och kan säkerställer att rätt kabeltyp/area är vald, att det är rätt färger på ledare och att kapslingsklasserna är korrekta.
Felsökning Installationstestare har flera bra funktioner för att felsöka en anläggning. Om till exempel en jordfelsbrytare löser ut ibland kan den testas noggrant. Anläggningen kan sedan delas upp och grupper frånskiljas och isolationstestas var för sig för att isolera felet. Utlösningsvillkoret kan testas och indikera om det finns dåliga förbindningar i anläggningen.
Mätningar I rutiner för mindre arbeten kan det räcka med att kontinuitetstesta PE-ledaren, mäta spänningen i uttagen och testa jordfelsbrytaren med testknappen. Har det utförts utbyte av central eller nyinstallation av en komplex anläggning kan rutinerna innehålla mätningar med nära nog samtliga funktioner som installationstestaren har.
ELLÄRA
Ellära 2.0 PRO Ellära 2.0 Pro faktabok vänder sig till blivande installations-, service- och industrielektriker samt automationstekniker som kommer att arbeta med starkströmsinstallationer. Målet är att ge en teoretisk bakgrund till anläggningskontroll och felsökning av starkströmsanläggningar. Vi lägger grunden för systemförståelse, grundläggande elektriska begrepp och principer samt hur olika laster påverkar elnätet. Det ger förutsättningar att tolka manualer och mätvärden från de i elbranschen vanligaste instrumenten och installationstestarna.
Sven Spiegelberg
Ellära 2.0 PRO
Boken täcker kursen Praktisk Ellära samt Ellära 1 och 2. Kapitlen Trefas, Jordsystem, Elkvalitet och Kontroll och felsökning ger en nära koppling till övriga ämnen på Eloch energiprogrammet.
Faktabok
SVEN SPIEGELBERG
ellära.se Ellära 2.0 PRO_Omslag_PT_201208.indd 1
ISBN 978-91-986480-0-3
9 789198
648003
2020-12-08 10:43