Teori och övningsuppgifter Från vattenkokare till kraftverk

Transkript

1 SMAKPROV PRAKTISK ELLÄRA Teori och övningsuppgifter Från vattenkokare till kraftverk Spänningen transformeras ned 400 kv -130 kv 130 kv - 40 kv 40 kv - 10 kv 10 kv kv Stamnät 400kV Spänningen transformeras upp Konsument i hemmet 400 / 230 V Kraftverk Erik Jansson

2 Version 1 av Praktisk ellära Erik Jansson Exoteknika xotek@bredband.net Kopierings- och utskriftsförbud Enbart de som tecknat avtal med Exoteknika har rätt att nyttja boken Författaren Erik Jansson har också skrivit populära böcker i Reglerteknik, Digitalteknik och Industri- och kraftelektronik som utges av Liber och Gleerups förlag Såhär beställer ni boken Boken köps per årsbasis och vid beställningen anger ni mellan vilka datum ni önskar använda den, tex Uppge också ert och skolans namn plus adress. Glöm inte ange fakturaadress, beställningsnummer och om det är fler än 20 elever som kommer använda boken under året Under avtalat år får ni kopiera och skriva ut så mycket ni vill ifrån pdf-filen. Eleven kan dessutom lägga in filen på sin dator. Inga lösenord krävs men det står noterat i boken under vilken tid den får användas. Eleven har för personligt bruk ingen tidsbegränsning vad det gäller nyttjandet. Skicka en beställning till xotek@bredband.net så skickas pdf-filen inom en vecka som en bilaga i ett Jag rekommenderar att boken skrivs ut i färg eftersom det finns färgbilder Pris Om det är färre än 20 elever som använder boken på skolan är priset 1200 kr, annars 1700 kr Moms tillkommer 2

3 Förord Målsättningen med boken är att den skall vara ett fundament för dig som inte kan så mycket om el men vill lära dig grundprinciperna på ett praktiskt och inspirerande sätt. Det kan vara att du går på El- och Energiprogrammet och skall läsa någon av kurserna Praktisk ellära, Ellära 1, Ellära 2 eller att du som lekman vill lära dig mer om el. Innehållet är baserat på Skolverkets beskrivning av ämnets syfte och centrala innehåll för kursen Praktisk ellära Det som är speciellt med boken är efter varje teoriavsnitt kommer övningsuppgifter. Svaren till övningsuppgifterna hittar eleven antingen direkt i boken eller via informationssökning på nätet. Vid sökning på nätet ges tips på länkar och sökord Ett facit till övningsuppgifterna finns att ladda ned på under länken Praktisk ellära Allra sist i boken finns de grundläggande formler för ellära som använts samlade på ett ställe När det gäller informationssökning på Internet så rekommenderar jag i första hand wikipedia.se och den kompletta Nationalencyklopedin NE.se. Naturligtvis går det bra att googla också men problemet brukar då vara att man får upp väldigt mycket reklam och mindre fakta. Det ges tips på sökord men det är ju viktigt att även testa synonymer på förslagna ord. För skolor i Göteborgs kommun så måste eleven registrera sig för att få full access Till Natinalencyklopedin (NE.se). Det är gjort på någon minut 3

4 Innehållsförteckning Avsnitt 1 Ellära i vardagen...9 Frekvens är en storhet som betecknas med F och har sorten Hertz (Hz)... 9 Spänning är en elektrisk storhet som betecknas med bokstaven U och har sorten volt (V) Ström är en elektrisk storhet och betecknas med bokstaven I och har sorten ampere (A) Ohms lag I = U / R eller U = R * I eller R = U / I Effekt är en storhet som betecknas med P och har sorten watt (W) Effektlagen P = U * I P = U * U / R vilket ger P = U 2 / R Avsnitt 2 Mätteknik...17 Avsnitt 3 Energi...21 Avsnitt 4 Elfaran...24 Skyddsledare / skyddsjord Säkringar Jordfelsbrytaren Avsnitt 5 Likström eller DC (från engelskans direct current)...33 Batteriet och ackumulatorn lämnar en likspänning mellan sina poler Kirchhoffs andra lag: Avsnitt 6 Resistorn...39 Resistans är en storhet som betecknas med R och har sorten ohm / Ω Seriekopplas flera resistorer blir ersättningsresistansen Parallellkopplas två resistorer blir ersättningsresistansen Sluten strömkrets Avsnitt 7 Potential / spänning & potentialskillnad / delspänning...46 Tips på arbetsgång Avsnitt 8 Förluster i elnätet...49 Resistivitet (ρ) är ett mått på hur bra en metall leder ström Resistansen för en ledare beräknas enligt R = ρ * l / A Avsnitt 9 Elektriska material...53 Ledare

5 Halvledare Isolatorer Avsnitt 10 växelström vid resistiv belastning...56 Resistiv last Induktiv och kapacitiv last Effektivvärde Avsnitt 11 Magnetism och induktion...60 Spole Det som styr elektromagnetens styrka är: Generatorprincipen Strömtången Motorprincipen Transformatorn Jordfelsbrytaren Generatorn Transformatorn Avsnitt 12 induktiv belastning i en växelströmskrets...70 Den elektriska modellen för motorn blir som i schemat nedan Parametrar som behövs för beräkningarna X = reaktans betecknar ett frekvensberoende elektriskt motstånd med sorten ohm Z = impedans betecknar det totala elektriska motståndet för växelström (ohm) Beräkningsformler Aktiv-, Skenbar- och Reaktiv effekt hos en motor cos Avsnitt 13 faskompensering...79 Effekttrianglar före och efter faskompensering Avsnitt 14 Trefas växelström...83 Principiell trefasgenerator Faspänningen i ett trefassystem Belastningar i ett trefassystem Symetrisk belastning Osymetrisk belastning

6 Effektberäkning vid resistiv last Kraftförsörjningen till ett hushåll TN-C-systemet Utsatt del Vagabonderande ström Övertoner på elnätet Olinjära laster TN-S-systemet Potentialutjämning Risker utan potentialutjämning Avsnitt 15 Lagar, förordningar och föreskrifter för elektricitet...99 Avsnitt 16 Sammanställning av elektriska storheter, formler förklaringar mm

7 Inledning El är för oss så självklart i vardagen att det är först när den är borta som man upptäcker hur beroende man är av den som tex. när lampan, datorn, värmeelementet, TV n, tåget, spårvagnen och bankomaten slutar fungera. Listan kan nästan göras oändligt lång. En intressant konsekvens av långvariga elavbrott är att barnafödandet ökar 9 månader efter. Temat i boken är Från till vattenkokare till kraftverk eftersom det innehåller ett brett spektrum av frågeställningar om elektricitet. Vattenkokaren som är vanlig i hemmen drivs av en växelspänning på 230 volt. Det är den spänning som är vanlig för konsumentprodukter som brödrost, hårtork TV mm. Spänningen skapas ursprungligen av en generator som omvandlar antingen vatten-, kärn- eller vindkraft till elektricitet. På sin väg från vattenkraftverket som kanske ligger i Norrland till konsumenten så höjs spänningen med hjälp av transformatorer till flera hundra tusen volt i kraftledningsnätet. Ju högre spänningen är desto lägre förluster blir det i nätet. Men för att spänningen i slutändan skall passa dig som elförbrukare i hemmet så sänks den i flera steg med hjälp av transformatorer till 230 volt. Elektricitet är något tämligen abstrakt. Du kan inte med ögat se elektroner röra sig eller vilken spänning det är i ett batteri. Strömmen luktar inte heller men du kan känna den om den passerar kroppen och är tillräckligt hög. Statisk elektricitet är något ni alla känt på. Om du drar en fliströja över huvudet och sedan tar i en diskbänk får du sannolikt en rejäl stöt. Det som hänt är att elektroner flyttas från din kropp till fliströjan. Din kropp har laddats upp till en spänning som beror på hur många elektroner som flyttat på sig. När du tar i diskbänken blir det en sluten strömkrets och en obehaglig stöt upplevs, en så kallad ESD (electrostatic discharge). Eftersom urladdningen är så kortvarig blir den ofarlig. Är spänningen tillräckligt hög behöver du inte ens vidröra diskbänken eftersom det blir som ett blixtnedslag när en ljusbåge bildas mellan fingret och diskbänken. Statisk elektricitet och ESD är harmlös för människan men kan ställa till en allvarlig skada i en elektronisk krets eftersom ledningarna är så tunna att de kan brinna av. 7

8 Arbetar man med känslig elektronik så används speciella kläder, skor armband mm som leder bort den statiska laddningen för att undvika ESD. Känsliga elektronikkretsar levereras i speciella plastpåsar som leder ström för att undvika att de blir statiskt laddade. Blixten beror också på statisk uppladdning Under speciella väderomständigheter kan en del av ett moln innehålla vattendroppar och den andra iskristaller. När de två delarna gnuggas mot varandra blir den övre delen normalt positivt laddat beroende på statisk laddning. När potentialen blir tillräcklig hög sker en urladdning antingen i molnet, till ett annat moln eller ned i marken. För att kunna följa med i boken är det viktigt att känna till några grundläggande symboler. Strömbrytare Lampa Resistor Voltmeter Säkring Kondensator Resistor alternativ U Ampermeter I Likspänning + - Växelspänning Spole Transformator 8

9 Avsnitt 1 Ellära i vardagen Vad är det då som gör att vattnet i tekokaren blir varmt när den sinusformade spänningen på 230 volt kopplas in via fas- och neutralledaren? Eftersom det hela tiden är en spänningsskillnad på 230 volt mellan dem bildas en ström vilket innebär att elektroner rör sig fram och tillbaka i värmeelementet och genererar värme. Ju högre ström som flyter desto fler elektroner passerar vilket resulterar i fler kollisioner mellan dem och det utvecklas mer värme. Strömmen är alltid lika stor i fas- som neutralledaren. Om inte så är det fel på apparaten Eftersom strömmen ändrar riktning 50 gånger per sekund säger man att nätets frekvens är på 50 Hertz (Hz). Frekvens är en storhet som betecknas med F och har sorten Hertz (Hz) +U 0 -U Spänningen ändrar nivå på ett sinusformat sätt hela tiden. Under strecket så är potentialen negativ och över positiv. Mitt för strecket så är potentialen noll. Schema över en vattenkokare. Fasledare Till / Från Termostat 230 V Stickpropp Skyddsledare Skyddsjord Neutralledare Ansluts till alla ledande delar Värmeelement Termostaten stänger av apparaten när vattnet kokar. I annat fall finns det risk för torrkokning och brand. 9

10 1.a Varför är elektricitet så efterfrågat? Ange minst 6 skäl. Se inledningen b. Vilken spänning drivs vanliga konsumentprodukter av i hemmet som brödrostar, hårtorkar TV mm.? Se inledningen c. Hur skapas spänningen ursprungligen? Se inledningen d. Ge några praktiska exempel på statisk elektricitet som du själv iakttagit e. Vad betyder ESD och varför kan det ställa till med problem när man jobbar med elektronikkretsar? Se inledningen 10