Elektriska och elektroniska fordonskomponenter Föreläsning 6 1
Växelström - komponenter Växelström beskrivs enklast i komplex form Kräver kännedom om komplex analys Grund för signalteori Lösningsmetoder Visardiagram jω-metoden Komplex effekt Anpassning C Kapacitans (kondensator) Farad (F) L u 1 (t) Z Impendans komplex impendans i ohm (Ω) M u 2 (t) Induktans (spole) Henry (H) Transformator 2
Effekt och växelström Förbrukningsmässigt är en motor för växelspänning samma sak som en spole och en resistor i serie Spolen är själva lindningen och resistorn är kabelns resistans En likspänningsmotor kan skrivas som en resistor L = 32 mh, R = 20 Ω och f = 50 Hz ω = 2πf = 314 rad/s X L = ωl = 314 0,032 = 10 Ω Spänningen 230 V ger 10,3 A uppmätt ström Lysrör kan beskrivas på samma sätt som motorn U in I in MOTOR L R 3
Växelströmseffekt - Skenbar effekt Om vi bara mäter upp effektivvärdena U in 230 V & I in 10,3 A och beräknar effekten med U I så erhålls värdet 2,37 kva. Denna storhet U in kallas skenbar effekt. Skenbar effekt betecknas S = U I och mäts i voltampere (VA) I in MOTOR L R Är det den effekten man får ut ur motorn? 4
Växelströmseffekt - Aktiv effekt Kommer ni ihåg att P = U I = R I 2 MOTOR Effekten genom resistansen blir R I 2 = 20 10,3 2 I L = 2,12 kw. in Den verkliga effekten är alltså U in R 0,25 kw lägre än 2,37 kva som man mäter upp genom att mäta U och I med multimetern Detta är den aktiva effekten eller den effekt som verkligen erhålls i motorn Effektfaktorn gånger skenbar effekt ger aktiv effekt, motorer brukar märkas med en effektfaktor (den skrivs cosϕ ) 5
Växelströmseffekt - Reaktiv effekt Vad händer med den del av effekten som inte gör någon nytta i motorn MOTOR Den onyttiga effekten kallas I L reaktiv effekt. in Den reaktiva effekten U pendlar mellan spolen in R och kondensatorn, den gör ingen nytta men den bidrar till att värma upp kablar och komponenter Reaktiv effekt beräknas ur Q = X L I 2 och mäts i VAr (r står för reaktiv, inte revolutionär) 6
Växelströmseffekt - Effekttriangel S Aktiv effekt, reaktiv effekt och skenbar effekt hänger ihop som i en triangel ϕ Motorer märks ofta med en effektfaktor P Den aktiva effekten beräknas ur P = S cosϕ där S är skenbar effekt och cosϕ är effektfaktorn Man räknar sällan cosinus, men vill man rita triangeln så ges vinkeln av arc cos( effektfaktorn ) eller cos -1 ( effektfaktorn ) Reaktiv effekt går att beräkna som Q = S sinϕ För vårt motorexempel: cosϕ = P/S = 2120/2370 = 0,89 (effektfaktorn har ingen enhet) Q 7
Växelströmseffekt Med kondensator För en RCL-krets (kondensator och spole i serie) så motverkar kondensatorn och spolen varandra Man får räkna fram Xtot = X L X C Om Xtot är negativ blir även Q negativ 8
Batteri 12 V batteri 1. One-piece cover 2. Terminal-post cover 3. Cell connector 4. Terminal post 5. Vent plugs underneath the cover plate 6. Plate strap 7. Case 8. Bottom mounting rail 9. Positive plates inserted into envelope-type separators 10.Negative plates 9
Kemi urladdat batteri Blyelektroder Pb stoppas ner i svavelsyra H 2 SO 4 (17%) och vatten H 2 O (83%) Bly (positiva joner) löses upp i syran, blyelektroderna blir negativt laddade Svavelsyran splittras i två vätejoner (H+) och en syrajon (SO 4 --) Nu kan svavelsyran leda ström Blysulfat (PbSO 4 ) bildas på elektrodernas yta 10
Kemi laddning av batteri Batteriladdaren har högre spänning än batteriet En ström tvingas in i plus-polen En ström från ( ) till (+) gör att elektroner flyttas från (+) anoden till ( ) katoden Katoden blir oladdad blymetall, joner SO 4 -- släpps lös Anoden blir 4+ laddat bly, joner SO 4 -- släpps lös En dum minnesregel Anod & plus stavas med lika många bokstäver. 11
Kemi uppladdat batteri Laddningen skapar fräsch svavelsyra i batteriet när SO 4 -- jonerna bryter upp vattenmolekylerna Syret som blir över reagerar med blyet i anoden och blir PbO 2 Andelen H 2 SO 2 i vätskan ökar och densiteten ρ ökar, fullt laddad är ρ 1,28 kg/l och svavelsyra utgör 37% av elektrolyt-vätskan 12
Uppladdat batteri Blysulfatet på anoden har blivit blyperoxid PbO 2 Blyperoxid är brunt i stället för ljust blysulfat Blysulfatet på katoden har blivit metalliskt bly Bly är metallgrå i stället för ljust blysulfat Spänningen och densiteten ökar inte trots att man laddar mer Fortsatt laddning av ett full-laddat batteri Vattnet bryts upp i syre vid anoden och väte vid katoden Batteriet gasar, knallgas kan bildas 13
Kemi urladdning av batteri En ström från (+) till ( ) driver lasten, elektroner flyttas från ( ) katoden till (+) anoden Inkommande elektroner bryter lös joner O 2 -- och anoden blir 2+ laddat bly Utgående elektroner lämnar 2+ laddat bly i katoden O 2 joner bryter upp svavelsyra och (SO 4 --) reagerar med både anoden och katoden Både anod och katod beläggs med ljusfärgat blysulfat 14
Laboration På kemi-labben kommer vi att studera korrisionsangrepp på några metaller när de doppas i elektrolytlösning 15
Battericeller Sex seriekopplade Bly-Syra-celler ger 12 V 3 celler ger 6 V och 12 celler ger 24 V 16
Kom ihåg tvåpolen! Batteriets inre resistans När man mäter polspänningen mäter man U O Men när last R V kopplas in så minskar spänningen över polerna till U K Ohms lag ger I E = U 0 / (Ri + R V ) Spänningsförlust Ui = I E Ri Kirchhoffs 2:a lag ger Uk = U 0 - I Ri 17
Batteriets kapacitet (laddning Q) Batteriets totala laddning beror på Hur stor urladdningsströmmen är Densiteten och temperaturen på syran Urladdningsprocessen Kapaciteten ökar om man gör en paus under urladdningen Batteriets ålder Material lossnar från plattorna Om batteriet är stilla Omrörning av syran Laddning kan mätas i Ah Stort Coulomb-värde för bilbatterier 1 Ah = 3600 As = 3600 C 18
Batteriets kapacitet Vid låg urladdningsström kan kemi-processen penetrera djupt in i elektroderna Vid hög urladdningsström beläggs elektrodernas yta snabbt med blysulfat och processen stannar 19
Batteriets kapacitet vid kyla Vid kyla blir den elektrokemiska processen mindre effektiv 1a visar startmotorn varvtal för 20% urladdat batteri, 1b samma kurva för kraftigt urladdat batteri Varvtal i princip batteriets effekt, men beror på polspänningen och startmotorns och batteriets resistanser 2 visar minsta varvtal som kan starta motorn (ökad friktion etc) Man kan läsa ut lägsta temperator då motorn går att starta för de två laddningarna 20