Elnätet Färsk el från generator till vägguttag

Transkript

1 Elnätet Färsk el från generator till vägguttag Alessandro Volta. På 1700-talet visade han att man kunde få ström genom att kombinera olika metaller i flera lager av t.ex. zink och koppar. I stapeln behövdes dessutom pappskivor indränkta med en saltlösning. Denna anordning kallades Voltas stapel och motsvarar det som numera kallas ett galvaniskt element och kan användas som ett batteri. 1

2 Elektromagnetism 1819 upptäckte en dansk fysiker att en kompassnål, dvs. en magnet, ändrar riktning när den befinner sig nära en elektrisk ledare. Slutsatsen blev att ett magnetiskt fält skapas kring ledaren, som alltså påverkar magnetfältet kring kompassnålen. Härmed var elektromagnetismen upptäckt, vilket lade grunden till många uppfinningar, t.ex. el-motorn, telefonen och telegrafen. 2

3 1831 kom en engelsman på att elektrisk ström även kunde åstadkommas med hjälp av ett magnetfält. Han använde en ihålig spole som var kopplad till en galvanometer och sköt in en magnet i spolen. Han såg då att galvanometern gjorde utslag åt ett visst håll. När magneten drogs ut igen gjorde galvanometern utslag åt andra hållet. Det gick alltså att skapa elektricitet i spolen genom att förändra ett magnetfält i den. Detta fenomen kallas induktion. 3

4 Större delen av alla elektricitet produceras idag genom induktion. Detta sker framför allt i så kallade generatorer. Generatorer innehåller strömspolar som fås att snurra kring sin axel med hjälp av en till generatorn kopplad turbin. Turbinen innehåller skovlar som sätts i rörelse av rinnande vatten exempelvis i ett vattenfall. Generatorn omvandlar alltså rörelseenergi till elektrisk energi, vilket är tvärt emot vad som sker i en elmotor. 4

5 TREFAS Trefassystemet bygger på att vi har tre spänningskällor där det alstras tre lika stora växelspänningar. Tidsförskjutningen, fasförskjutningen, mellan de tre spänningarna är alltid 120º. Ett sett att fixa detta är att konstruera en generator som ser ut som bilden. 5

6 När magneten börjar snurra induceras lika stor spänning i varje lindning och eftersom det är samma magnet blir också frekvensen den samma. Det som skiljer är att de alstrande sinusformande spänningarna blir förskjutna, 120º. Den fasta delen kallas stator och den rörliga som snurrar kallas rotor. I vårt fall så är magneten rotor och lindningarna statorn. 6

7 Visardiagram, enfas 7

8 Visardiagram trefas 8

9 Om vi ansluter tre exakta belastningar till varje lindning får vi tre exakta lika stora strömmar, men med förskjutning på 120º. Finns olika belastningar, resistiva och reaktiva. Vi börjar med resistiva belastningar. Strömmen som flyter mellan spänningskällan, lindningen, och belastningen kallas huvudström och betecknas I. Ska vi räkna ut effekten i varje belastning(p) ser formeln ut så här: P = U x I x cos φ Den totala effekten är: P = 3 x U x I x cos φ Cos φ(fi) betyder hur bra strömmen följer spänningen i sinuskurvan. I resistiva belastningar så följer strömmen spänningen exakt och då är cos φ = 1. I reaktiva blir det inte 1 utan under 1. Mer om det snart. 9

10 Mellan varje spänningskälla och belastning har vi två ledningar. Nu kommer finessen. Genom att koppla ihop den ena änden på varje lindning kan vi överföra lika mycket energi som tidigare men vi behöver endast tre ledningar. Elschema för ovanstående koppling 10

11 De tre ledningarna betecknas L1, L2, L3. Spänningarna i dessa tre är exakt lika stora, men förskjutna i tid. Våran belastning var resistiv och man kan säga att belastningen är symetrisk. Har vi en symetrisk belastning så är summaspänningen 0V. Enligt visningsdiagramet nedan så är L1 maximal och positiv. Säger vi att L1 är 100V så är L2-50V och L3-50V = 0V 11

12 Vrider vi magneten 45º från startläget så blir: L1= +70,7V L2= +25,9V L3= -96,6V +70,7 + 25,9 96,6 = 0V Vrider vi magneten ytterligare så får dessa värden: L1= 0V L2= +86,6V L3= -86,6V ,6 86,6 = 0V 12

13 Summaspänningen var 0V när belastningen är exakt lika i alla tre faserna, det samma gäller för strömmen. En sådan belastning kallas symmetrisk. Den neutrala ledaren blir onödig i dessa kretsar. Neutralledare 13

14 Fasspänning Huvudspänning Fasspänning är den spänning som induceras i lindningen. Vi mäter mellan fas och neutralpunkt. Den spänning som finns mellan två faser kallas huvudspänning. Huvudspänningen är alltid 3 x fasspänningen. 230V 400V 14

15 Det finns två alternativ att koppla för att få symmetri. Y- och D-koppling. Y-koppling kallas även stjärnkoppling och D-koppling kallas ibland för triangelkoppling eller deltakoppling. Delta skrivs ofta med grekiska bokstaven delta, Δ. 15

16 Generatorn avger växelström. Större delen av producerad el-energi i Sverige kommer från vattenkraftverk och från kärnkraftverk. Generatorerna snurrar. Ut kommer elektricitet med spänningen 20 kv V. Elektriciteten ska transporteras över hela landet och för att få en ekonomiskt och tekniskt vettig transport låter man strömmen passera en transformator som höjer spänningen till, normalt, 400 kv V. Mer om transformator längre fram. 16

17 Varför transformeras spänningen upp då strömmen transporteras ex från ett kärnkraftverk till ett villaområde? När elektroner rör sig i en ledning kommer elektronerna att möta på hinder bl.a. beroende vilken metall ledningen är gjord av. Vanligen är elektriska ledningar gjorda av koppartråd. Motståndet beror på att elektronerna skall flytta sig genom ledningen - det är som om ett elektronmoln skall röra sig åt ena eller andra hållet i ledningen. Givetvis så innebär flyttningen ett hinder och friktionsvärme utvecklas 17

18 Om spänningen transformeras upp, så att strömstyrkan blir mindre, kommer antalet elektroner som skall flytta sig i ledningen att bli färre och den påtryckande kraften blir istället större. Detta gör att friktionsvärmen blir mindre, och energiförlusten till omgivningen blir mindre. Om man leder tillräckligt mycket ström (strömstyrka - hög Ampere) genom en ledning, så kommer denna att börja glöda, och slutligen kan den brinna av. En annan effekt som syns är att ledningen blir längre, eftersom ett varmt material tar mer plats. 18

19 Med tanke på att man vill ha en minimal energiförlust i kraftledningen och ej heller hängande ledningar så transformerar man alltså upp spänningen. Från till V. Närmare hushållen finns ytterligare transformatorstationer som transformerar ner spänningen till den spänningen som skall vara i hushållen. Därefter kommer strömmen in till huset. 19

20 20

21 El levereras från elleverantören till kunden i en kabel vilket utgörs av 5 ledare. 3st s.k. faser och benämns L1, L2, L3. Tillsammans med en neutral ledare (N-ledare) och en jord ledare (PE-ledare). Den här kabeln kallas för inkommande elservis och ansluts till ett mätarskåp som kan vara placerat på utsida hus eller inomhus. I dag består den inkommande elservis kabeln av 5 ledare men det förekommer i äldre installationer att det bara är 4:a ledare i kabeln. N och PEledarna är gemensam och betecknas då PENledare. I mätarskåp finns en huvudbrytare och 3st huvudsäkringar. + mätaren förstås. Med huvudbrytaren kan man bryta strömmen för att göra strömlöst i hela anläggningen. Huvudsäkringar (3st, en för varje fas) bestämmer vilken max belastning vi kan ta ut. 21

22 Från mätarskåp går strömmen vidare in till en central. Elcentralen är bostadens elektriska hjärta. Här sitter ytligare en huvudbrytare följt av en massa säkringar. Strömmen fördelas här till olika grupper. En grupp kan gå till kylskåp, en annan till vardagsrum o.s.v. 1-fas grupp menas att gruppen består av 1 fas, noll ledare och PE-ledare (jord) och spänning 230V, 3-fas grupp består av 3st faser, (noll ledare) och PE-ledare (jord) och spänning 400V. 22

23 Hur mycket en säkring tål mäts i Ampere(A). Propparna skiljer man åt med hjälp av fysiskt mått och färgmärkning. Enligt listan ser vi att säkringsskallen är större ju mer ström den tål. En säkring som tål mer går därför inte att sätta i en sockel där det ska sitta en mindre storlek. Man kan därför alltid vara säker på att man inte översäkrar. Färg Stöm Skalle Grön 6 A 6 mm Röd 10 A 8 mm Grå 16 A 10 mm Blå 20 A 12 mm Gul 25 A 14 mm Brytförmåga Beskriver hur snabbt säkringen skall brinna av. Tiden innan säkringen löser ut kan vara från någon ms upp till sekunder. 23

24 Olika slags belastning De flesta belastningar man har i hemmet är gjorda för att kopplas till fasspänningen. Lampor, TV-apparater, dammsugare m.m. kopplas alltså till 230V. Större belastningar som bastu, spis, varmvattenberedare väljer man ofta att koppla in på flera faser. Genom att faserna belastas olika blir det en osymmetrisk belastning. Detta innebär att vi alltid måste ha tillgång till neutralledare och att denna alltid är strömförande Osymmetriska belastningar kan vara avsedda för såväl fas som huvudspänning. Elradiatorer finns för anslutning till fasspänning(230v) eller huvudspänning(400v). En spis ansluts till huvudspänning eller till fasspänning medans köksfläkten ansluts till fasspänning. I hemmet är symetrisk trefasbelastning sällsynt. Undantag kan vara trefasmotorer och uppvärmningsutrustning(vvb). 24

25 Överspänning Utrustning som är inkopplad på el-, tele- och antennät är konstant utsatta för risken att förstöras av tillfällig överspänning. En orsak till förstörd utrustning är förstås blixtnedslag i antennanläggning, el- och telenät. För att skydda sig bättre mot blixten är ett överspänningsskydd en bra investering. Även då det inte åskar är apparaterna utsatta för tillfälliga överspänningsattacker i form av strömspikar orsakade av snabba strömuttag. Spikarna mattar med tiden ut komponenter i elektroniska apparater, men kan precis som ett blixtnedslag också direkt slå ut utrustningen 25

26 Jordfelsbrytare Ett elektriskt fel i en borrmaskin, häcksax eller annan elektrisk utrustning kan leda till allvarliga skador och dödsfall. Om du är osäker på hur pass säker apparaten du använder är bör du alltid koppla in den via en s.k. jordfelsbrytare. Att alltid göra det är förstås en god vana. 26

27 Hur fungerar den? I en anläggning ska alltid summaströmmen i fas och neutralledaren vara noll. Genom att låta dessa strömmar passera en summaströmtransformator känner vi hela tiden av att så är fallet. Skulle det uppstå en felström, det vill säga en ström tar en annan väg till jord än genom den avsedda ledningen, induceras det en spänning i transformatorn, direkt proportionell mot felströmmens storlek. 27

28 Jordfelsbrytaren ska provas med jämna mellanrum. Följ tillverkarens anvisningar. Testknapp på jordfelsbrytaren. Prova / Motionera jordfelsbrytaren regelbundet genom att trycka på testknappen under max 2 sek. Personskydd: 30mA Brandskydd: 300mA Om jordfelsbrytaren slagit ifrån: Beror detta på fel i anläggningen eller tillfällig nätstörning. OBS Ska framgå av gruppschemat vilka grupper som skyddas av jordfelsbrytare. 28

29 Felsökning gör så här om jordfelsbrytaren slagit ifrån: Slå på jordfelsbrytaren genom att trycka upp den grå armen, om den nu slår av igen är det något fel i anläggningen. Slå av samtliga säkringar som hör till den jordfelsbrytare som löser. Slå på jordfelsbrytaren. Slå till varje säkring, en åt gången tills jordfelsbrytaren bryter. Koppla ifrån samtlig utrustning som är ansluten på den säkring som bröt jordfelsbrytaren. Slå till jordfelsbrytaren och åter anslut utrustningar/ apparater tills felaktig apparat är lokaliserad. 29

30 Kapacitiv belastning När vi kopplar in resistiva belastningar till en växelspänningskälla ökar och minskar strömmen samtidigt som spänningen ökar och minskar. Man säger att ström och spänning ligger i fas. Så fort vi kopplar in en belastning som inte är rent resistiv kommer ström och spänning att vara fasförskjutna. Med fasförskjutning menas att förändringarna i storlek inte kommer lika i tid. I hemmet är de flesta belastningar resistiva. Det är alltid belastningen som bestämmer om spänning och ström ligger i fas eller ej! 30

31 Kapacitiv belastning Det är belastningen som avgör fasvinkeln. Om vi ansluter en belastning med låg effektfaktor, tvingas kraftleverantören att pumpa ström fram och tillbaka utan att den används till att utföra ett arbete. Om vi tar en enfasbelastning med effektfaktor 0,4 och den aktiva effekten(p) är 2kW till ett uttag hemma blir det som följer: Kraftbolaget tar betalt för den aktiva effekten 2kW, men måste leverera en ström till din belastning som är: P = U x I x cosφ. Vi gör om formeln: I = P / U x cosφ. Börjar men 230V x 0,4(U x cos φ) = 92 Nu delar vi P med 92 = 22A. 31

32 Kapacitiv belastning Den aktiva strömmen blir 22 x 0,4 = 8,8A. Vi måste alltså ha säkringar och kablar som klarar 22A och kraftbolaget får spänningsoch effektförluster i sina kablar för vilka man inte får betalt. Industrier och andra storkonsumenter av el med stora reaktiva belastningar måste faskompensera. Med faskompensering menas att man med hjälp av en kondensator ser till att fasförskjutningen φ inte är för stor. Man eftersträvar att få effektfaktorn runt 0,8 efter kompensering. I nya installationer eftersträvar man en effektfaktor på 0,9-0,95. 32

33 Transformator En transformator består av två eller flera spolar som är lindade runt samma järnkärna. Transformatorn använd för att omvandla elektriska storheter. Man kan aldrig använda transformatorn i likström, utan endas i växelström. Funktion: I en ledare som utsätts för ett varierande flöde induceras det en emk(elektromotorisk kraft). Om vi ansluter en spole till växelspänning, varierar strömmen i storlek och riktning. Om spolen lindas runt en kärna av t ex järn, kommer den varierande strömmen orsaka ett varierande flöde i kärnan. Spolen uppfattar detta som om vi drog en magnet fram och tillbaka, varför det induceras en emk i spolen. Emk:n är lika stor som den påtryckande spänningen, men har motsatt riktning. Lindar vi en spole till på samma kärna, kommer även den att påverkas av det varierande flödet. Därför induceras en spänning. 33

34 Transformator 34

35 Transformator Vi har nu två spolar som är skiljer sig från varandra men med samma kärna. Om vi ändrar antal lindade varv runt kärnan på den ena spolen så induceras det mer spänning i den om vi lägger till varv och tvärsom om vi lidar färre varv runt kärnan. Den spole som är ansluten till matningsspänningen kallas för primärspole, den andra sekundarspole. Vilken spänning vi vill få ut på sekundärsidan är lätt att räkna ut. 660 varv på primärsidan och 57 på sekundär. Primärsidan ansluts till 230V. Hur stor spänning har vi på sekundärsidan? Dela sekundärsidans varv med primärsidans varv och gångra med spänningen. På sladden till din laptop finns en transformator. Vilken spänning vill din laptop ha? 35

36 Varför går säkringen hemma? Kaffebryggare och tekokare går sällan att köra samtidigt, varför? På kvällen har man precis kör igång diskmaskinen. Samtidigt går tvättmaskinen och torktumlaren i källare. Helt plösligt börjar lyset gå på halvfart, vad är det som kan ha hänt? 36

37 El installationerna har i hus sett lika dana ut sen 60-talet. I industrin på 60-talet började man använda programmerbara system som vi kallar PLC. (Programmable Logic Controller). En liten låda man ger information till genom elektriska signaler, PLCn svarar med att skicka ut signaler beroende på vad vi vill ska hända. 37

38 I dag använder man även en PLC i vanliga bostadshus, smart hus som en del säger. Vad är det som är smart då? För så bestämde man vad en strömbrytare t.ex. skulle tända för lampa eller lampor, ville man sen ändra så är man tvungen att koppla om i dosorna som sitter i väggarna och tak. För detta så behövs en elektriker. 38

39 Med en installerad PLC så blir man mer flexibel. Om man valt en funktion från en knapp intill en dörr och helt plösligt vill ha en annan funktion för just den knappen, så kan man enkelt gå in på sin dator och ändra funktioner i huset. När man ska tända lampor med smart hus så brukar man tala om senarium. Man tänder inte en lampa utan man tänder hela rummet på ett sätt man valt, kan vara vissa utvalda lampor i taket + en fönsterlampa. Man kan välja att tända hela huset på ett bestämt sätt på bara ett tryck av en knapp, även ljusstyrkan vi valt. 39

40 Man kan ta t.ex. om man ska åka hemifrån, så innan du går ut trycker du en gång på en knapp som man brukar kalla hej då funktion. När du tryckt på den går hela huset ner i vilo läge, det vill säga belysningen släcks, inbrottslarm slås på. Efter att inbrottslarmet aktiveras startar simulerat boende. Belysning, uttag och radio styrs på oregelbundna tider så huset ser bebott ut. Kan kompletteras med ljudanläggningen för ex hundskall etc. 40

41 Finns nästa bara fantasin som sätter stopp för hur man vill styra sitt hus. Elcentralen i sådana här hus blir så klart mycket större, man kan behöva ett utrymme som en garderob H2000xB600xD600 i vissa fall. Eftersom all el, TV, tele, brand- & inbrottslarm, ljud och webb kamera ska integreras med varann. 41

42 Belysningsstyrning Autobelysning Skymningsrelä Ljussensor Ljusgivare Nattljus Barnljus Scenariebelysning. Välj med ett tryck hur du vill ha belysningen i hela huset. Välj ex morgonbelysning, dagbelysning, natt, städbelysning mm. PIR-sensorer i varje rum styr belysningen automatiskt var du än befinner dig i huset. Låt utomhusbelysningen sköta sig själv dag som natt. Reglera belysningen inomhus steglöst via en ljussensor. Beroende ljusintensiteten utomhus sköts belysningen inne så en konstant ljusstyrka(lux) erhålls. Ljussensorer inomhus reglerar markiser eller persienner beroende på väderleksförhållandena. Belysning dimmrar svagt upp så det inte bländar på natten. Den slocknar efter några minuter. Samma som nattljus du aktiverar funktionen i barnens rum, då får dom ledljus när de går på toaletten nattetid. 42

43 Vakande ljus Sektionsstyrd utebelysning Gäster Styrning av vägguttag Motorvärmare Boendesimulering Ljuset dämpas så barnen kan sova tryggt och släcka automatiskt när dom somnat Uteplats eller någon speciell plats intill huset där du vistas ofta på kvällen? Utomhusbelysningen kan styras så att endast en del av armaturerna tänds. En rörelse vakt utomhus känner av om det kommer gäster och tänder upp belysningen. Valfri styrning av vägguttag inomhus och utomhus beroende på önskemål. Används tillexempel för ekonomi- och säkerhetsfunktioner, dekorationslampor, motorvärmare m.m. Ett eller flera uttag för motorvärmare styrs under förvalda tider. Uttagen kan vara placerade på huset, på en uttagsstolpe eller i garaget. Efter att inbrottslarmet aktiveras startar simulerat boende. Belysning, uttag och radio styrs på oregelbundna tider så huset ser bebott ut. Kan kompletteras med ljudanläggningen för ex hundskall etc. 43

44 Strömavbrott Inbrottslarm Brandlarm Vattenlarm Fjärrkontroll Hemmabio Touchscreen Musik SMS Webbserver Hej då funktion Go natt funktion Om jordfelsbrytaren löser ut eller om strömmen försvinner kan du underrättas via SMS. Bryter sig någon in så underrättas du vi SMS. Larmet kan även gå vidare till vaktbolaget. Vid brandlarm så får du SMS. Larmet kan gå vidare till brandkår. En sensor under golvet, under tvättmaskin eller diskmaskin stänger av inkommande vatten. Styrning av valfri utrustning i scenarier med ett tryck. Ställ in rätt ljus med ett tryck. Pekskärmar för enkel styrning av husets utrustning och snabb omkonfigurering. Lyssna på musik var du än befinner dig i huset. Sänd SMS och starta bastun eller aktivera inbrottslarmet om du råkat glömma det. Koppla upp dig till ditt hus via nätet och se husets status via webbkamrer. När du åker hemifrån trycker du på en knapp så ställer huset i det läge du vill ha när ingen är hemma. Kanske med slumpmässigt upp förade. Funktionen släcker ner huset i natt läge. 44

45 Förbrukning i standbyläge Apparat Förbrukning (watt) Dator 2,8 Datorskärm, LCD 1,1 Playstation 1,9 Digitalbox, kabel 17,5 TV, LCD 1,0 Ministereo/hifisystem 8,3 DVD 1,6 Microvågsugn 3,1 Summa 37,3 W Lite drygt 37 W låter inte så mycket, men tänk på att apparaterna står så kanske 20 timmar per dag. Det innebär att en familjen använder 272 kwh ((20*365*37,34)/1000) varje år, helt i onödan. Får man betala ungefär 2,00 kr/kwh innebär 45 detta en besparing på omkring 550 kronor varje år.

46 timmar LED timmar Metallhalogen timmar kompaktlysrör timmar Lågvoltshalogen 1000 timmar Glödlampa Varför välja LED? Lång livslängd 12 timmar / dag 200 dagar / år timmars livslängd ger 21 års lampbytes intervall (armaturbytes intervall) 46

47 Varför välja LED? Bra funktion i kalla miljöer 47

48 Framtidens ljuskälla OLED ett eller flera lager av extremt tunna halvledarmaterial idag glas imorgon plast Mobiltelefoner TV Dataskärmar 48

49 T-shirt LED OLED Tapet OLED Vägg 49

50 100st LED orienterings- armaturer 0,1W= Effektförbrukning 10W Lång livslängd timmar (låga underhållskostnader) Kastrup bad 50

51 Källförteckning: ELLÄRA TREFAS FAKTABOK Liber 51