Issuu

Elektrofag og elsikkerhet Faktabok

Simulering og fasit

Denne boka er utgitt av PED TEC AS med tillatelse fra Gyldendal Undervisning. PROTEUS

Sats og layout: PICARD Materialet i denne publikasjonen er omfattet av åndsverklovens bestemmelser.

PROTEUS er elektronisk DAK-verktøy som inneholder moduler for skjemategning, simulering (også mikrokontrollere) og PCB Design (kortutlegg). Flere av skjemaene fra eksemplene, øvingene og oppgavene i denne boka er lagt ut på nett, klar for simulering.

Det er ikke tillatt å kopiere fra boka uten tillatelse fra PED TEC AS. Hendvendelse om denne publikasjonen kan gjøres på e-post

Det kreves ingen spesielle forkunnskaper for å kjøre simuleringene. Alle skjemaer er ferdig koplet.

pedtec@pedtec.no eller på nettsiden

Selv om du ikke kan besvare alle spørsmålene i øvingene, kan du likevel kjøre simuleringene og kanskje lærer du på den måten litt om virkemåten til de forskjellige kretsene.

https://proteus.no

Har ikke skolen / kursstedet PROTEUS, kan du laste ned en demoutgave og kjøre simuleringene. https://proteus.no

Elektrofag og elsikkerhet

PROTEUS

DESIGN SUITE 2018-08-27

PROTEUS

DESIGN SUITE 2018-08-19

OPPLÆRING

ØVINGER

SK J E M AT E G N IN G – A N IM A SJ O N – SIM U L E RIN G

SK JEMATEGN I N G – AN I MASJO N – SI MULER I N G

YH ET

Øvinger og oppgaver

www.labcenter.com

Bøkene kan gratis lastes ned fra våre nettsider. Om du ønsker boka ferdig innbundet, kan den kjøpes på våre nettsider.

Innhold 1 Likestrømkretser......................................................... 6 2 Resistorer...................................................................18 3 Seriekopling............................................................... 26 4 Elektrisk potentsial.................................................... 34 5 Parallellkopling......................................................... 38 6 Effekt......................................................................... 48 7 Vekselstrøm .............................................................. 58 8 Spolen........................................................................ 66 9 Kondensatoren............................................................74 10 Halvledere.................................................................. 88 11

Givere........................................................................ 116

12 Kontaktorer og reléer...............................................140 13 Tidsreleer og styringsprinsipper..............................154 14

Reguleringsteknikk – en innføring...........................164

Elektriske styreskjemaer.........................................172

16 PLS-teknologi...........................................................198 17 Fordelingssystemer – lavspente forsyningsnett.....210 18 Sikkerhet.................................................................. 288 19 Elektromotorer........................................................ 306 20 Startmetoder........................................................... 322 21 Styring og regulering av hastighet.......................... 334 22 Vern.......................................................................... 354 23 Måleinstrumenter.................................................... 364 24 Tillegg...................................................................... 368 Stikkord.................................................................... 378

Likestrøm flyter i én retning. For at likestrømmen skal flyte, må den ha tilgang til en likespenningskilde, for eksempel et batteri eller et likespenningsaggregat. Du kan bruke en batterieleminator når du lytter til musikk fra radio. Når du kopler til batterieliminatoren, blir batteriene automatisk koplet ut. Batterieliminatoren har en konstant spenning, mens likespenningsaggregatet vanligvis har en utspenning som det er mulig å variere.

spenning = kraften som elektronene blir skjøvet fram med, energinivået i et punkt volt (V) = målenhet for elektrisk spenning strøm = transport av elektrisk ladning ampere (A) = målenhet for elektrisk strøm resistans = motstanden mot elektrisk strøm i en leder. Forholdet mellom strøm og spenning er konstant. Dette forholdet kaller vi resistansen i en leder (Ohms lov)

Fra pluss til minus

ohm (Ω) = målenhet for resistans

Som du vet, har et batteri to poler. Den positive polen er merket med et plusstegn (+), den negative polen er merket med et minustegn (–). Kopler vi en leder mellom plusspolen og minuspolen, flyter det en stor strøm gjennom lederen. Internasjonale bestemmelser har fastlagt at strømretningen er fra pluss til minus. Det ble gjort på et tidlig tidspunkt. Nå vet vi at strømmen egentlig består av elektroner, og at elektronstrømmen går fra minus til pluss. Vi holder likevel fast ved den gamle regelen. Når vi kopler en ledning mellom pluss og minus på et batteri, flyter det en stor strøm fra plusspolen til minuspolen. Til hvilken nytte, spør du kanskje. Det eneste som hender, er at batteriet blir utladd og ødelagt uten at vi har hatt noen glede av strømmen – batteriet kortsluttes. Skal vi ha noen nytte av den elektriske energien som er lagret i batteriet, må vi kople inn noe annet mellom plusspolen og minuspolen. Vi kan for eksempel kople inn en radio, men glødelampen er et mer «lysende» eksempel. II

Plusspol

Minuspol

+ –

Figur 1.1 Symbolet for et batteri. Den lange streken angir plusspolen og den korte minuspolen I

Figur 1.2 Kortsluttet batteri. Det eneste som begrenser strømmen er batteriets indre resistans og resistansen i ledningene

Figur 1.3 Symbol for glødelampe

I = strøm U = spenning P = lampe P

Definisjoner

Rød pil viser strømretningen Blå pil peker mot den Phøyeste spenningen, det høyeste potensialet

Figur 1.5 Koplingsskjema for I koplingen til venstre Figur 1.4 Ved å kople inn en glødelampe mellom polene på batteriet får vi lampen til å lyse – den elektriske energien blir omformet til lysenergi

Skjema En tegning av elektriske kretser

LIKESTRØMKRETSER 7

Ohms lov Det er ganske innlysende at for eksempel lengden på glødetråden avgjør hvor stor strøm som går gjennom lampen. Andre faktorer som påvirker størrelsen på strømmen, er materialet glødetråden er laget av, og størrelsen på spenningen. Simon Ohm (1787–1854) la ned mye arbeid i å undersøke elektriske strømmer i ledere. Motstanden mot elektrisk strøm i en leder – for eksempel i glødetråden – kalte han resistans. Figur 1.8 Symbolet for en resistor

Eksempler på resistanser er kokeplater, varmeelementer, glødelamper og den som kanskje er viktigst i elektronikk-kretser, nemlig den komponenten som har som eneste oppgave å begrense strømmen i en elektrisk krets, resistoren. Ohm beviste at jo mindre resistansen er, desto større er strømmen når spenningen er gitt. Han beviste også at når vi har en bestemt resistans og øker spenningen, øker også strømmen.

Figur 1.9 I USA blir dette symbolet brukt for resistorer

Resistansen blir målt i ohm (Ω), og i elektrisitetslæra har resistansen betegnelsen R. Den resistansen som gir opphav til en strøm på 1 A når den blir koplet til en spenning på 1 V, blir kalt 1 Ω. Formelen som er grunnlaget for all elektrisitetslære, blir kalt Ohms lov. Den sier at I = strømmen i ampere (A) U = spenningen i volt (V) R = resistansen i ohm (Ω)

U I= R

Ohms lov U eller R U = I ⋅ R eller I=

U I

LIKESTRØMKRETSER 9

Seriekopling av resistorer

R1 = 47 Ω

Ifølge Ohms lov er spenningen over en resistor proporsjonal med resistansen. Lar vi den samme strømmen gå gjennom resistorer av ulik størrelse, får vi et spenningsfall som er proporsjonalt med resistansen.

R3 = 82 Ω

Spenningsfall 2A

5Ω

Rtot = 47 Ω + 56 Ω + 82 Ω= 185 Ω 2A

10 V

R2 = 56 Ω

10 Ω

Spenningsfall Spenningsforskjellen over komponenten blir kalt spenningsfallet. Det vi sikter til, er egentlig den spenningen som skal til for å drive strømmen gjennom komponenten. Det kreves for eksempel en spenningsforskjell på 10 V over en resistor på 5 Ω for at vi skal kunne drive 2 A gjennom den. Dette er i overensstemmelse med Ohms lov.

20 V

Figur 3.3

Hva blir spenningsfallet dersom vi kopler resistorene i serie? For å forstå det skal vi studere en av Kirchhoffs lover.

Kirchhoffs lover Det er framfor alt to personer som har betydd mye for forståelsen av elektrisitetslæra. Den ene er Ohm, som du allerede kjenner til fra Ohms lov. Den andre er Kirchhoff. Hans to lover har hatt stor betydning i elektrisitetslæra. Den ene loven, som vi skal se på nå, behandler seriekoplinger. Den andre, som behandler parallellkoplinger, kommer vi tilbake til. Når du har lært å bruke disse tre lovene, behersker du mye av det vi kaller elektrisitetslæra. Vi skal først se på et eksempel: De tre resistorene R1, R2 og R3 er seriekoplet til en spenningskilde på 12 V. Se figuren på neste side. Vi kan sammenlikne situasjonen med et kunstig fossefall der en pumpe stadig pumper vann rundt.

3 SERIEKOPLING

Kirchoff Gustav Robert Kirchhoff (1824–1887), tysk fysiker

EKSEMPEL 5.6 Beregn Rtot for figur 5.8: R1 = 1,0 Ω R2 = 2,2 Ω

Re1

HM1 OHMMETER

R3 = 3,3 Ω

R4 = 4,7 Ω

R5 = 5,6 Ω

Re2

5.8449 +88.888 R6 = 6,8 Ω

Ohms

Re3

R7 = 8,2 Ω Figur 5.8 HM1

Vi beregner først erstatningsresistansene Re1 – Re3 for parallellkoplingene.

Re1 =

R1 ⋅ R2 1, 0 ⋅ 2, 2 = = 0, 6875 Ω R1 + R2 1, 0 + 2, 2

OHMMETER

5.8449 +88.888 Ohms

R1 1R

1 1 1 1 1 1 1 + + ≈ 0, 69 Ω = + + = Re 2 R3 R4 R5 3, 3 4, 7 5, 6

2R2

1 Re 2 = ≈ 1, 44 Ω 0, 69 R ⋅R 6, 8 ⋅ 8, 2 Re 3 = 6 7 = = 3, 71 Ω R6 + R7 6, 8 + 8, 2 Rtot = Re1 + Re2 + Re3 = 0,69 Ω + 1,44 Ω + 3,71 Ω = 5,84 Ω

3R3

4R7

5R6

R6 6R8

R7 8R2

Simulering med PROTEUS

Eksempel 5.7 U U A = punkt A⋅ Rog Beregn potensialforskjellen mellom 2 B. R1 + R2 U UA = ⋅ R2 R1 + R2 U U ⋅ R4 UBAB== R3 + R4

U UB = ⋅ R4 R3 + R4

U A −U B = _______ Bergen ny verdi på R4 hvis potensialforskjellen mellom A og BU skal−bli V. _______ U B0 = A

U= 10 V

R1 2

R3 3 B

A R2 3

R4 7

R4 =

5 PARALLELLKOPLING

Vi har tidligere nevnt at en strøm som stadig endrer retning – omtrent på samme måte som stempelet på et gammelt damplokomotiv – blir kalt vekselstrøm. Elektronikk blir drevet av likespenning, og de fleste belastninger fungerer utmerket med likespenning. Likevel er det nesten bare vekselstrøm som blir levert til forbrukerne. Det er flere grunner til det: Vekselspenning er lettere å produsere. I dag har bilene vekselstrømsgeneratorer til tross for at all elektronikk i bilen blir drevet med likestrøm. Vekselstrøm kan transformeres, det vil si at vi kan endre størrelsen på spenningen. Dessuten kan vi transportere vekselstrøm over lange avstander i et system (trefaset) som på en enkel måte reduserer kostnadene mye i forbindelse med strømleveranser.

Sinusformet vekselspenning Med vekselspenning mener vi en indusert spenning som periodisk endrer både størrelse og retning. Vekselspenningen vi bruker, er sinusformet. Hvorfor den har fått dette navnet, skal vi komme tilbake til.

Spenning

Dersom vi belaster vekselspenningen, får vi en strøm som endrer størrelse og retning periodisk. Strømmen er også sinusformet. I Norge, og i Europa for øvrig, endrer vekselspenningen retning 100 ganger per sekund. USA har valgt å la spenningen endre retning 120 ganger per sekund.

Tid

1 periode Figur 7.1 Vekselspenningen er sinusformet

1 Startøyeblikket – feltlinjene skjærer ikke spolen Figur 7.2

2 Her begynner feltlinjene å skjære spolen. Det dannes spenning i spolen

3 Den tetteste delen av magnetfeltet har nådd spolen. Nå er spenningen i spolen på sitt høyeste

7 VEKSELSTRØM 59

Når magneten gjør femti omdreininger per sekund, blir frekvensen 50 Hz. Gjør den 200 omdreininger per sekund, er frekvensen 200 Hz.

Noen begreper Tiden det tar for en magnet å gjøre en omdreining, kaller vi periodetiden. Den har betegnelsen T. Sammenhengen mellom periodetiden og frekvensen gir seg selv. Dersom frekvensen er 50 Hz, gjør magneten 50 omdreininger i sekundet. Det betyr at hver omdreining tar et femtidels sekund (1/50 s).

1 = 20 ms 50

Gjør magneten tusen omdreininger per sekund, blir periodetiden T=

1 = 1 ms 1000

Norsk / Engelsk

f =

1 1 , eller omvendt: T = f T

Det finnes flere måter å angi toppverdier og bunnverdier på: Toppverdier

der T er tiden i s og f frekvensen i Hz.

(normert)

utopp ut

Den største verdien en vekselspenning kan ha, kaller vi toppverdien (amplitudeverdien) eller maksimumsverdien. Den statiske verdien betegnes med store bokstaver og den dynamiske (foranderlige) med små. Toppverdien har for eksempel betegnelsen û. (Hatten over bokstaven viser at det er en toppverdi.)

Bunnverdier: ubunn ub «Topp-til-topp» angis på forskjellige måter: ut–b «topp-til-bunn»

Vekselspenningen har også en negativ toppverdi som vi kaller bunnverdien eller minimumsverdien. Den har ofte betegnelsen ub, men det er ikke et norToppverdi: û eller ut Spenning, U mert symbol (se infoboks). Iblant er vi interessert i å vite Momentanhvor stor spenningen er på Effektivverdi: U verdi: u et bestemt tidspunkt. Denne verdien kaller vi momentanverdien eller øyeblikksverdien. Den har betegnelsen u. Figur 7.4 I periodetiden T, er toppverdien den høyeste spenningsverdien og bunnverdien den laveste. Verdien i et bestemt øyeblikk blir kalt momentanverdien eller øyeblikksverdien.

peak value RMS, root mean square

toppverdi effektivverdi

Det vil si:

up–p

«peak to peak»

us–s

«Spitze zu Spitze»

Dreievinkel vinkel ϕ

Bunnverdi: ub 45°

135°

90°

180°

270°

360°

450°

540°

630°

720°

T = 1 periode

7 VEKSELSTRØM 61

Resistive og induktive belastninger i vekselstrømkretser I likestrømkretser brukte vi ohms lov for å beregne resistanser, strømmer, spenninger og effekter. I vekselstrømkretser er det ikke så enkelt. Spoler og kondensatorer gir faseforskyving og vi kan derfor ikke summere strømmer og spenninger direkte. U I

U I

Spenning

Induktiv reaktans XL XL f L

= 2π f ·L = induktiv reaktans (Ω) = frekvens målt i hertz (Hz) = induktans målt i henry (H)

U I

Spenning Strøm

Strøm t

Resistiv last Strøm og spenning i fase

Induktiv last Strøm etter spenning

Kapasitiv last Strøm foran spenning

Figur 8.14

Eksempel 8.1

En ideell spole og en resistor er koplet som vist i figuren. Impedansen i kretsen: U 5 Z= = = 2,5 Ω I 2 Resistansen i motstanden:

2,0 A

UR = 4,0 V U = 5,0 V UL = 3,0 V

UR 4 = =2Ω I 2 Reaktansen i spolen: R=

XL =

UL 3 = = 1,5 Ω I 2

U = 5,0

Strømmen og spenningen er faseforskjøvet 90° i spolen, mens strømmen og spenningen i resistoren er i fase.

ϕ I

Vinkelen mellom strømmen I og U er faseforskyvningsvinkelen for den aktuelle kretsen.

8 SPOLER

UR = 4,0 V

Spenningsdiagram

UL = 3,0

U I

Spenning

U I

Spenning Strøm

Strøm t

UR = 8,14 V

Resistiv last Strøm og spenning i fase

Induktiv last Strøm etter spenning UC = 10,0 V

Kapasitiv last Strøm foran spenning

U = 10,0 V

Eksempel 9.3

i C = 100 nF U = 10,0 V f = 10 kHz

R = 220 Ω

Kapasitiv reaktans XC =

1 2 ⋅ π ⋅ f ⋅C

XC = kapasitiv reaktans (Ω) f = frekvens målt i hertz (Hz) C = kapasitans målt i farahd (F)

XC = 160 Ω Z = 272 Ω

Reaktansen XC: XC =

1 1 = ≈ 160 Ω 3 2 ⋅ π ⋅ f ⋅ C 2 ⋅ π ⋅ (10 ⋅10 ) ⋅ (100 ⋅10−9 )

Strømmen I: I=

10 10 U U = = = ≈ 37 mA 2 2 2 2 272 Z 220 + 160 R + XC

Avleste amplitudeverdier i grafen: û = 14,1 V gir U = 10 V ûR = 11,5 V gir UR = 8,13 V î = 52,2 mA gir I = 36,9 mA T = 0,1 ms gir f = 10 kHz ϕ = 0,01 ms gir ϕ = 36°

uˆ

f =

Analog graf

(V) 16 14 12 10 8 6 4 2 0 -2 -4 -6 -8 -10 -12 -14 -16

1 T

(mA) 80 70 60 50 40 30 20 10 0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70

1,00 1,02 1,04 1,06 1,08 1,00 1,12 1,14 1,16 1,18 1,20 (ms)

T = 0,1 ms ϕ Simulering med PROTEUS

9 KONDENSATORER 85

I L = I1 ⋅ sin ϕ1 = 1, 9 ⋅ 0, 74 ≈ 1, 4 A I2 =

294 P = = 1, 34 A U ⋅ cos ϕ2 230 ⋅ 0, 95

ϕ2 = cos−1 ϕ2 =vi18skal , 2 bruke til kompensering skal oppta: Kondensatoren I R = I 2 ⋅ cos ϕ2 = 1, 34 ⋅ 0, 95 ≈ 1, 3 A IC = 1,4 – 0,42 A = 0,98 A I X = I 2 ⋅ sin ϕ2 = 1, 34 ⋅ 0, 31 = 0, 42 A XC = C=

230 U = ≈ 235 Ω I C 0, 98

1 1 = = 1, 35 ⋅10−5 = 13, 5 µF 2 ⋅ π ⋅ f ⋅ X C 2 ⋅ π ⋅ 50 ⋅ 235

I2 ϕ1

ϕ2

Fasekompensering

Kontroll:

S2 = U2 · I2 = 230 · 1,34 = 308 VA Q2 = S2 · sin–1 · ϕ2 = 437 · 0,74 = 323 Var

+1.94

+1.46

AC Amps

VAR

Q +337

S +447

+298

I U

IC 0.00

AC Amps

+1.48

AC Amps

AC Volts

+1.27

AC Amps

+228

SW2

SW1

SW3

SW-SPST

180

500mH

13.5uF

V VA

+1.37

+0.49

AC Amp ms mp

SW2

SW-SPST

+0.98

AC Amp ms mp

+1.46

SW1

SW-SPST

File: RLC-2.pdsprj Date: 02.08.2019 By: @ AUTHOR www.pedtec.no

AC Amp ms mp

+1.28

AC Voltltlts ts

ms AC Amp mp

+230

VA V R

Q +112

S +315

+296

I U

SW3

SW-SPST

Simulering med PROTEUS

9 KONDENSATORER 87

Tyskeren Graetz lanserte denne måten å kople fire dioder på, og koplingen blir derfor vanligvis kalt en graetzbro. Se figur 10.17.

–

Det er praktisk å kjøpe ferdige broer (som en komponent). Se figur 10.18. –

Figur 10.17 Likeretting med graetzbro Påskrifter på graetzbroen B brolikeretter 40 maksimal spenning i effektivverdi (transformatorens sekundærspenning må ikke overstige 40 volt) C broen tåler den store oppladningsstrømmen som oppstår når den koples til en kondensator (C) 5000/ maksimal belastningsstrøm i mA. Det første tallet, 5000, 3300 er høyeste tillatte strøm med kjøling (ofte limes komponenten fast til chassis), det andre, 3300, er den maksimale strømmen ved fri montering Figur 10.18 Eksempel på graetzbro

Graetzbroen Koplingen virker slik at diodene leder vekselvis to og to. Ulempen ved denne koplingen er at vi mister to spenningsfall i lederetningen, men det kan vi gjøre noe med ved å legge på noen ekstra vindinger på sekundærviklingen. Se figur 10.19. F1

–

Uinn

Strømveier i positiv halvperiode

+ U R - C B

U inn D3

+ –

–

OBS! Kurven gjelder kun for ubelastet likeretter

I opp

URB

Strømveier i negativ halvperiode +

D4 0

U inn D1 og D3 åpen D2 og D4 sperret

D1 og D3 sperret D2 og D4 åpen

I opp

D3 –

+ –

Figur 10.19

10 HALVLEDERE 97

Logiske grunnkoplinger En av programmeringsspråkene for PLS er FBD–Function Block Diagram (Funksjonsblokkskjema). FBD bygger på symboler og prinsipper fra digitalteknikken, med AND-port, OR-port, Iverter osv. Nedenfor ser du noen av disse. Krets

7408

IEC symbol

A B

ANSI symbol

A B

Sannhetstabell

AND OG

7432

A B

≥1

A B

OR ELLER

7404

Logisk uttrykk

Ekvivalentskjema

B A Q 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1

S1 S2 P1

B A Q 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1

A Q 0 1 1 0

NOT (INVERTER) IKKE

7400

A B

NAND IKKE OG

7402

A B

≥1 NOR IKKE ELLER

A B

B A Q 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0

B A Q 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0

S1 S2 K1

Logiske grunnkoplinger Se alle grunnkoplingene i kapittel 24 Tillegg.

112

10 HALVLEDERE

Funksjonsprinsipp Spole

Føleområde

Triggerkrets

Oscillator Utgangstrinn

Figur 11.17 Figuren viser en sylindrisk giver med dens genererte magnetfelt

Figur 11.18 Figuren viser et objekt som føres inn mot magneteltet Metallplaten nærmer seg giveren

Ingen metallplate

Oscillator svinger ikke

Amplitude

PÅ

Utgangstrinn vist som normalt åpen

Figur 11.19 Figuren viser hvordan oscillatorens svingninger dempes når en metallgjenstand føres inn i feltet, for til slutt å nå punktet der svingningene stopper og giveren går fra AV til PÅ

Standardsymbol Givere som er merket med bokstaven N, er i henhold til DIN 19234/NAMUR-normen. Induktive givere N

BN BN

Figur 11.20

122

11 GIVERE

+ DC –

Hva er en kapasitiv giver? En kapasitiv giver består i prinsippet av en oscillator og et følerelement, der kondensatorens ene kondensatorplate utgjør følerelementet. Oscillatoren og følerelementet er elektrisk forbundet. Emnet som skal detekteres, fungerer som den andre kondensatorplaten. Når vi tilfører spenning til føleren, vil oscillatoren føle den eksterne kapasitansen mellom den interne kondensatorplaten og emnet som detekteres. Når kapasitansen er tilstrekkelig, begynner oscillatoren å svinge. Hvis for eksempel en leder ellet et isolatormateriale med permitivitet >1 kommer inn i feltet, forandres kapasitansen og forårsaker øking av svingningene. Kapasitiv giver (Kilde: OEM Automatic)

Skjerming Objekt

Følerelektrode

Figur 11.21

I en kapasitiv føler har emnet som skal detekteres, den motsatte effekten på oscillatoren sammenliknet med induktive følere fordi oscillatoren begynner å svinge når emnet nærmer seg føleren. RC-oscillatoren svinger ikke i upåvirket tilstand. Når objektet nærmer seg sensorelektroden, øker kapasitansen i kondensatoren, og oscillatoren begynner å svinge. Utgangsspenningen fra føleren blir omformet til et brytersignal.

Objekt

Skjermet hus

RC-oscillator

Støyfilter

Utgangstrinn

Figur 11.22

11 GIVERE 123

102

104 1 kHz

106 1 MHz

108 1010 1 GHz

1012

1014

1016

Ikke-ioniserende stråling 6

3 · 10

300

0,03

3 · 10–4

3 ·10–8

1018

1020

1022

1024

stråling

Gamma-

stråling

Røntgen-

stråling

Ultrafiolett

Synlig lys

stråling

Infrarød

bølger

Radio-

(VLF)

frekvenser

Svært lave

(ELF)

frekvenser

Ekstremt lave 10

Mikrobølger

(Hz)

Ioniserende stråling 3 ·10–12

(m)

Figur 11.52

Fotoceller inneholder følgende hoveddeler: • • • •

Sender Mottaker Signalomformer Forsterker Sender

Mottaker

Signalomformer

Forsterker

Figur 11.53

Lyssignalene som blir mottatt av fotocellene, blir endret til elektriske signaler. Utgangssignalenes nivå indikerer om mottakeren har detektert lys eller ikke. Fotocellen har to nivåer, deteksjon av mørke og deteksjon av lys. Fotocellens føleavstand kalibreres under produksjonen. De maksimale føleavstandene for fotocellene blir oppgitt fra fabrikanten. Fotocellene reagerer på variasjoner i lysstyrke mellom sender- og mottakeroptikken. Frekvensen kan ofte innstilles mellom 200 og 1500 Hz. Verdien kan variere fra fabrikant til fabrikant. 11 GIVERE 135

Roterende impulsgivere Roterende impulsgivere benytter vi når vi skal avlese eller ha tilbakemelding til styresystemet om antall omdreininger, dreieretninger, kontroll av posisjon og kontroll og avlesninger av vinkler eller lengder. De kan tilkoples eksterne tellere eller tilpasses styresystemer med interne tellere. Når vi skal foreta vinkelmålinger, benytter vi en akselmontert roterende impulsgiver med kodeskive. Den mekaniske kodingen blir omformet til et elektrisk signal ved hjelp av induktive eller optiske følere. Ved induktiv avsøking benytter vi kodeskiver, koppersegmenter og en induktiv føler i slisseutførelse. Kodeskiven passerer her inn i et spor (slissesporet) i den induktive giveren. Den induktive giveren består av to spoler som står rett overfor hverandre. Det elektromagnetiske feltet blir konsentrert over slissen mellom spolen. Når feltet i slissen brytes, gis det et signal etter puls-/pauseforholdet. Optisk avsøking er den mest benyttede metoden for roterende impulsgivere. Kodeskivene som vi benytter, er vekselvis transparente og mørke segmenter, som åpner og blokkerer for lys fra senderen tilmottakeren.

Figur 11.62 Roterende impulsgiver

138 Kapittel 11 – GIVERE

Bokstavering og nummerering Felles kontaktorer og releer for vekselstrøm Releer og kontaktorer for vekselstrøm er merket med bokstaven –K og –Q, med tall fra 1 og oppover. Spoletilkoplingene er merket med A1 og A2.

13 21

14 22

Tre hovedkontakter, én arbeidskontakt og én hvilekontakt

Hovedkontaktene På en trefaset kontaktor er hovedkontaktene merket med 1 og 2, 3 og 4 og 5 og 6. Skruetilkoplingene 1, 3 og 5 er tilførselssiden der L1, L2 og L3 (R, S og T) tilkoples.

13 21 31 43

14 22 32 44

Tre hovedkontakter, to arbeidskontakter og to hvilekontakter

Figur 12.10 Kontaktornummerering

Skruetilkoplingene 2, 4 og 6 (T1, T2 og T3) går ut mot belastningen, i de fleste tilfellene via en overstrømsutløser, der de koples til overstrømsutløserens nummer 1, 3 og 5. Termisk relé Et termisk relé blir også kalt en overstrømsutløser, overlastutløser (O/L) eller bimetallutløser. Det termiske releet beskytter motorer slik at de ikke blir overbelastet. Releet blir merket med bokstaven F. Fra releet ut mot belastningen blir skruene merket med 2, 4 og 6 (T1, T2 og T3). Hjelpekontakter på kontaktorer og releer Hjelpekontaktene på kontaktorer og releer nummeres på samme måte. Numrene gis etter plasseringsnummeret (ordensnummer) og etter om det er arbeidskontakt eller hvilekontakt (funksjon). Som nevnt kan også kontaktorer ha behov for hjelpekontakter.

Releer har bare hjelpekontakter. A1

13 21 31 43

13 23 33 43 51 61 71 81

14 22 32 44

14 24 34 44 52 62 72 82

Ordensnummer Funksjonsnummer

Figur 12.12 Relénummerering

12 KONTAKTORER OG RELEER

Reset

Test

97 98

T1 T2 T3

Figur 12.11 Termisk relé med sperre (reset) og test-trykknapp

Releer

146

L1 L2 L3

Kommentarer til figur 12.12 Det er fire hjelpekontakter, se ordensnummerne 1, 2, 3 og 4. Kontakt nummer 1 er en arbeidskontakt, og den har derfor nummerne 13 og 14. Kontakt nummer 2 er en hvilekontakt, og den har derfor nummerne 21 og 22. Kontakt nummer 3 er en hvilekontakt, og den har derfor nummerne 31 og 32. Kontakt nummer 4 er en arbeidskontakt, og den har derfor nummerne 43 og 44. Nummereringen skjer ut fra normerte funksjonsnummer, arbeids- eller hvilekontakter, og ordensnummer som beskriver i hvilken rekkefølge kontaktene er plassert på releet. Hvilekontaktens funksjonsnummer er 1 og 2. Arbeidskontaktens funksjonsnummer er 3 og 4.

På:

Av:

–S1

–Q1

Bryter Av/På

0 A1 1 A2

Kontaktorspole

Hovedkontakter

Hjelpekontakter 0

234

567

(Figur 13.2 Sekvensdiagram)

Tidspunkt 4

Tidspunkt 7

Ved tidspunkt 4 har alle de tre hovedkontaktene inntatt stilling 1. Den første hjelpekontakten (13-14) har også inntatt stilling 1. Den andre hjelpekontakten har inntatt stilling 0.

Ved tidspunkt 7 har hovedkontakter og hjelpekontaktene inntatt nye stillinger. Da er vi tilbake til utgangspunktet fra tidspunktene 1 og 2.

Stillingene er nå følgende: • –S1 = 1 • –Q1 = 1 • hovedkontaktene = 1 • en hjelpekontakt = 1 • en hjelpekontakt = 0

Stillingene 1 og 0 indikerer hvilke kontaktsett på giveren vi har valgt å bruke for å få til den funksjonen vi ønsker. Kontaktene er tegnet uaktivert.

Tidspunkt 5 Her begynner vi å slå av bryteren –S1.

Tidspunkt 6 –S1 ligger nå helt ute (0), og det fører til at –Q1 mister sin spenning (0) og legger ut. –Q1s hovedkontakter og hjelpekontakter begynner å endre stilling.

156

13 TIDSRELEER OG STYRINGSPRINSIPPER

Sammendrag

Når vi setter spenning på spolen, ser vi at den tilsynelatende blir 1 uten at det går tid. Vi vet at på grunn av induksjonen vil det gå tid både ved innkopling og utkopling av spoler. Av praktiske årsaker velger vi å tegne spoler direkte, slik det er gjort for –Q1. Vi kan si at vi også ivaretar spolens inn- og utkoplingstid som en del av den stigningsog helningskurven som blir tegnet for spolens kontaktsett.

En del av disse begrepene kan vi anskueliggjøre på figur slik figur 14.5 viser.

Sammenstilling av en del begreper i en reguleringssløyfe Pådragsapparat

Reguleringsobjekt

Målepunkt

Prosess Pådragsorgan

Pådrag

Regulert størrelse

REGULATOR Signalgiver

Forstillingsmekanisme Reguleringsdifferanse M

Ønsket verdi, skal-verdi, referanseverdi

Forstillingsmotor Referanse størrelse

Reguleringsavvik

–

Referansesignal Figur 14.5

Prosessdatamaskin En mengde store industrianlegg blir styrt og regulert av store datamaskiner som er spesielt konstruert for denne bruken. Slike datamaskiner går under betegnelsen prosessdatamaskiner. Litt mindre anlegg kan styres og reguleres av vanlige standard datamaskiner.

Skjermbasert system Et dataprogram der en kan overvåke, styre og regulere en prosess på dataskjermen, kalles et skjermbasert system. De fleste store leverandører av reguleringsteknisk utstyr og PLS har slike programmer, som dessverre ikke er standardiserte.

168

14 REGULERINGSTEKNIKK – EN INNFØRING

Er-verdi (virkelig verdi)

Eksempel med spenning påkoplet –F5

LEDNINGSFØRING:

L1 –S1

22 13

–S2

Linje(r) med spenning Spenningsløs linje Linje med strøm

L2 L3

–F1 –F2 –F3

–Q1

–F4

–Q1

96 A1

–F6 –F4

U1 V1

W1 PE

M 3

–M1

Figur 15.10 De tykke linjene viser hvordan spenningen ligger når hovedstrømssikringene –F1, –F2 og –F3 og styrestrømssikringene –F5 og –F6 er lagt inn og det er tilført spenning fra L1, L2 og L3 –F5

L1 L2 L3

–S1

22 13

–S2

–F1 –F2 –F3

–Q1 13

Når kontaktoren – Q1 får spenning, lukkes holdekontakten – Q1, 13-14.

–F4

–Q1

96 A1

–F6 –F4

U1 V1

–M1

W1 PE

M 3

Figur 15.11 Strømmens vei når start-trykknappen (–S2) aktiveres (trykkes inn)

180

15 ELEKTRISKE STYRESTRØMSKJEMAER

–F5

LEDNINGSFØRING:

L1 L2 L3

–S1

22 13

–S2

–F1 –F2 –F3

–Q1

Linje(r) med spenning Spenningsløs linje Linje med strøm

Vi har opprettet en holdefunksjon ved hjelp av – Q1, 13-14 og kan slippe startknappen – S2.

–F4

–Q1

96 A1

–F6 –F4

U1 V1

W1 PE

M 3

–M1

Figur 15.12 Når starttrykknappen (–S2) slippes, vil kontaktorspolen bli liggende inne via –Q1,13-14

–F5

L1 L2 L3

–S1

22 13

–S2

–F1 –F2 –F3

–Q1

–F4

–Q1

96 A1

–F6 –F4

U 1 V1

–M1

Figur 15.13 Stopp ved hjelp av –S1

W1 PE

For å stoppe motoren må vi trykke inn S1. – Q1, A1 mister spenningen og dermed faller holdekontakten – Q1, 13-14 ut. Når –S1 går tilbake til utgangsstilling (lukket), kommer ikke spenningen fra den øvre fasen lenger enn til startknappen –S2, –F5 13 og til holde21 kontakten –S1 –Q1, 13. 22 Det er ikke 13 13 strømvei –Q1 –S2 14 til –Q1 og 14 vi er tilbake 95 til bildet i –F4 figur 15.10. 96

M 3

–Q1

A1 A2

–F6

15 ELEKTRISKE STYRESTRØMSKJEMAER 181

Farger på signallamper Grønn: Normal drift/operasjon, for eksempel når en maskin går og trykk og liknende er i orden Rød:

Alarm for farlig tilstand, for eksempel når en maskin stopper eller når nivået i en tank er farlig nær et kritisk nivå

Gul:

Varsel for unormal tilstand, for eksempel når temperaturen i en prosess er høy, men ennå ikke har nådd et farlig nivå

Blå:

Instruksjon og informasjon, for eksempel når en motor er klar for start

Hvit:

Generell informasjon, blir for eksempel brukt til synkroniseringslamper, jordovervåking eller telefontilkalling

Skjematyding Når vi skal lese et strømløpsskjema, kan vi for eksempel tenke oss at vi • setter inn hovedsikringene. Hva vil skje? • setter inn styrestrømssikringene. Vil noen signallamper lyse, eller vil kontaktor, relé eller liknende bli aktivert? • aktiverer nødvendige vendere, trykknapper eller andre givere. Analysér på tegningen om ønsket funksjon oppnås

Oppkopling Når du skal kople opp en krets etter disse skjemaene, anbefaler vi at du går fram på denne måten: • Kople opp styrestrømskjema i den rekkefølgen som er beskrevet • Test styrestrømskjemaet med strømmen på • Kople opp hovedsstrømskjemaet • Test hele opplegget.

15 ELEKTRISKE STYRESTRØMSKJEMAER 183

Symboler Vi har allerede brukt noen elektrotekniske skjemasymboler i de skjemaene vi har gjennomgått. Skjemasymbolene vi bruker, står i Norske normer for elektrotekniske skjemasymboler – NEK 144:2017. Symbolene er i mange tilfeller delt opp i symboltegn som må settes sammen til en helhet. De ulike symbolene symboliserer et fysisk utstyr. Mange av dem blir brukt igjen og igjen, derfor er det greit å kunne disse.

Trykknapp med automatisk retur (NO) Trykknapp med automatisk retur (NC) Figur 15.15 Utdrag av symboloversikt Se symboloversikt i kapittel 24 Tillegg.

Strømløpsnummer og lokalisering Hovedstrøm Hovedstrømsskjemaet fører ofte inn i en eller flere av de første strømveiene enten som enlinjeskjema eller som flerlinjeskjema. Det er vanlig å tegne inn flerlinjeskjema på tegninger der det også er tegnet inn styrestrømløpsskjema.

Styrestrømløp Som vi har sett tidligere, tegner vi et styrestrømløpsskjema mellom to vannrette og parallelle linjer med god avstand seg imellom. Disse to linjene representerer framføringen av to styrestrømsfaser, som er to ledere. Signalveiene (strømveiene) plasserer vi loddrett mellom de to vannrette linjene.

L1 L2 L3

–F1 –F2 –F3

–F1-3

–Q1

–Q2

–F4

–Q1

M 3

Figur 15.16a Enlinjeskjema

–Q2

15 ELEKTRISKE STYRESTRØMSKJEMAER

–M1

W1 PE

M 3 P<

Figur 15.16b Flerlinjeskjema

184

–F4 U1 V1

–M1

Kabel ut til start/stopp-tablå Starteskap

Skapdør Jord

–F1 –F2 –F3

–F5 –F6

–P2

–P1

–Q1

2 1

4 3

6 5

–F4

Internside

Eksternside

Tilførsel

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

L1 L2 L3 –M1:U1 –M1:V1 –M1:W1 –S1:21 –S2:14 –S2:13

–X1

3 –S2 (1)

Jord U1

–M1

M 3

15 ELEKTRISKE STYRESTRØMSKJEMAER

14 X1:8

V1 W1

Figur 15.23 Koplingsskjema (apparatskap)

194

X1:9 13

–S1 (0)

22 X1:7

16 PLS-teknologi Hvorfor velge PLS? Det er flere årsaker til at vi bør velge å bruke PLS-er, og noen av disse årsakene har vi satt opp her: • De er lette å programmere, både fra programmeringsenheten og fra en PC. • De har lite volum. • De sparer prosjekteringskostnader. • Det er lett å omprogrammere og gjøre små forandringer på dem. • De har utvidelsesmuligheter. • De kan overvåkes og kontrolleres via telenettet. • De kan programmeres via telenettet. • De kan gi meldinger til skjermer ute i anlegget. • De kan koples til skrivere. • De kan gi dokumenterte programlister og eventuelt stigediagrammer med kommentarer og referanselister. • Den enkelte fabrikant leverer standardmoduler. De mest brukte programmeringsspråkene kan deles inn i forskjellige grupper: • Stigediagram, reléskjema (strømløpsskjema) og kontaktplan • Instruksjonslister og logiske uttrykk (LOAD, AND, OR og NOT) • Funksjonsplaner, logiske blokksymboler og digitale blokker

Prinsippet for en PLS Givere og brytere

RUNbryter

230 V AC

Innganger

+ –

CPU/sentralenhet

Utganger Last

Figur 16.1 En typisk PLS

Programmeringsenhet eller PC

Programmeringsspråk i henhold til standarden IEC 61131-3 For å gjøre programmeringsspråkene fra de ulike PLS-fabrikantene mer samstemte er det utviklet fem standardiserte programmeringsmetoder. Meningen er at filformatene til de ulike PLS-fabrikantene skal bli så like at vi kan utveksle programmer mellom de ulike systemene. Dette arbeidet er allerede høyt prioritert hos fabrikantene. Det er grunn til å legge til at de gamle systemene kommer til å eksistere i industrien i mange år ennå, derfor er det også viktig å beherske de gamle programmeringsmetodene.

Disse fem språkene er • tekstbaserte instruksjonsliste (IL) strukturert tekst (ST) • grafiske stigediagram (LD) funksjonsblokkdiagram (FBD) • sekvensielle sekvensielt funksjonsdiagram/kart (SFC) Komponentbokstavene er nå standardiserte, for eksempel I for inngang, Q for utgang og bokstaven M for internrelé (også kalt minne).

IEC (International Electrotechnical Commision) 61131-3 definerer tekstbaserte, grafiske og sekvensielle språk. IL – Instruction List

ST – Structured Text

FBD – Function Block Diagram

LD – Ladder Diagram

Instruksjonsliste

Strukturert Tekst

Funksjonsblokkdiagram

Kontaktplanskjema

er et programmeringsspråk som bruker kommandoer som AND, OR, NOT, SET, RESET osv. Dette programspråket er kodeorientert og meget kompakt oppbygd.

er et kraftig programmeringsspråk som er bygd opp med basis i høynivåspråket PASCAL. Dettespråket bruker også instruksjonene AND, OR osv. som benyttes i IL (instruksjonsliste), men har i tillegg flere instruksjoner, for eksempel ELSE, IF, THEN osv.

bygger på symboler og prinsipper fra digitalteknikken, med AND-port, ORport, INVERTER, RSvippe osv. De logiske blokkene som benyttes i programmeringen, tegner vi på samme måten som i digitalteknikken.

eller stigeprogram – har store likheter med styrestrømkjemaer (relestyringsskjema). LD har lenge vært den dominerende grafiske programmeringsmåten for PLS. Symbolikken bygger på amerikanske relésymboler og kan sammenliknes med våre egne relésymboler.

LD AN A =

A B C D

Et enkelt program med IL

A B C

D = A AND NOT B AND C

Et enkelt program beskrevet med ST

Et enkelt program i FBD

Enkelt program i LD Se symboloversikt i kapittel 24 Tillegg.

PLS-tilkoplinger og inn- og utganger Mål Etter at du har gjennomgått dette kapitlet, skal du • kjenne til teknikken som brukes for å beskytte PLSenes innganger og utganger • kjenne til hvordan vi kopler PLS-ene, og hvordan vi sikrer dem • kjenne til noen strømforsyninger og begreper vedrørene disse

200

16 PLS-TEKNOLOGI

De enkelte linjestrømmene kan vi beregne ved hjelp av cosinussetningen. Beregner vi for eksempel den største linjestrømmen, som etter figur 17.10 er I3, og som er sammensatt av If2 og If3, får vi I 32 = I f 2 2 + I f 32 − 2 ⋅ I f 2 ⋅ I f 32 ⋅ cos 120 I 3 = I f 2 2 + I f 32 − 2 ⋅ I f 2 ⋅ I f 32 ⋅cos 120 Eksempel Kurs nr.

For en elektrisk installasjon er det en lastfordeling i det elektriske anlegget som vist i tabellen på figur 17.11. Lasten er fordelt som figur 17.12. Spenningstrekanten er vist til høyre i figur 17.12.

P1-2 I2

I3-1

I2-3

U1-2

P3-1

P2-3

120 120

I1-2 I1

I2-3 I2

2,1 kW

1,3 kW

2,6 kW

2,1 kW 7,0 kW

5,6 kW

6,8 kW

P1−2 7000 = = 30, 4 A U 230 P 5600 I1 3 = 1−3 = = 24, 4 A U 230 P 6800 I2 3 = 2−3 = = 29, 6 A U 230 ΣP = P1−2 + P1−3 + P2−3 = (7,5 + 5, 6 + 6, 8) kW = 19, 4 kW Figur 17.11

120

I1 2 =

Vi skal fastsette de enkelte linjestrømmene slik at vi har grunnlag for å beregne eller måle tilførselskabelen etter riktig strøm. Fasestrømmene og hovedstrømmene setter vi opp grafisk som vist på figur 17.13. Hovedstrømmene kan vi både måle og beregne. De målte resultatene er vist på figur 17.13.

I3-1

7,0 kW

Σ Pfase

Figur 17.12 Belastning i D-kopling og spenningstrekant

2,2 kW

Fase 2–3 2,1 kW

U3-1 U2-3

Fase 1–3

I1-2

Fase 1–2

Strømtrekant (usymmetrisk belastning) for hovedstrømmer og fasestrømmer. Målt: I1 ≈ 50,5 A I2 ≈ 49,0 A I3 ≈ 46,5 A I1-2 ≈ 30,5 A I2-3 ≈ 26,0 A I3-1 ≈ 28,0 A

Figur 17.13 Strømtrekant i målestokk, 1 cm = 10 A

Trekantkoplinger For trekantkoplinger kan vi oppsummere følgende:

U = Uf If = Uf /Rf I = If · 3 Pf = If2 · Rf P = Pf · 3 P = U · I · 3 · cos ϕ Qf = If2 · Xf Q = Qf · 3 Q = U · I · 3 · sin ϕ S =U·I· 3

(V) (A) (A) (W) (W) (W) (VAr) (VAr) (VAr) (VA)

17 FORDELINGSSYSTEMER – LAVSPENTE FORSYNINGSNETT 217

L1 Rf

Rf Rf

L2 L3 b)

L1 Rf

Rf Rf

L2 L3 c)

L1 Rf

Rf Rf

L2 L3 d)

L1 Rf

Rf Rf

L2 L3 e)

L1 Rf L2 L3

Rf Rf

U2 Rf ⋅ 2Rf U 22RU 2 1 PF 1 PF Rf + = R 2⋅ 2RR ⋅f2R= = f f f f Pn 2 Pn 2 U ⋅ 3 PF PF RfR+R2f R+f 2Rf 1 1 PF PF1 1 = = 2f 2 2 2 = = = = Pn Pn 2UU 2 2 Pn Pn2 2 UU U ⋅3 ⋅3 RR⋅⋅22RR R⋅ 2R P Rf f f f ff 2 f PF 2 +f 2Rf 1 1F =PF PF 1 1 PF =PFUR22f + R2f2= R U 2 2 = = = = = Pn U U 2 ⋅223 2 2Pn P 3= 3UU P2 2 Pn R U⋅⋅2R n2 n 2 PPFn P P P 2 2 F ⋅fR= 3⋅ 2⋅ R 3= =F RR =F = =ff f ⋅ 2R ff f 2R f f 3 Pn PnU 22RU 3 Pn Pn3 3 PF PFU Rf2 + ⋅ 3R22f R+ ⋅ 32R 1 1 PF PF1 1 = U = = ⋅U12 2f 2 = f = R= 2Rf U f U ⋅ 2U⋅ 21 2 P PFn Pn RU 2F Pn 1 Pn2 2 f 23 ⋅ 3 ⋅R P =P 2 2 R P =P U f =⋅ 22R 2 ⋅R R=22fR 2R f UR ff = =f PnF =F3= PnF =FU 2 ⋅f 12 ⋅f13 ⋅ 3 Pn13 P131 1 P P 3 3 U U Rf2f +⋅R PPFFn PPFnFR Rf11 P 1PFn PP FF ⋅f312= 32f2R+ R = =F = = f U= = = U = = = 2 2 R 22fU⋅223 23 P f 2⋅U P Pnn PPnnURU 3 P P23 2 P 2 PF PFRUf2 ⋅ 3R⋅ 3 ⋅ 3 2 PFn PnnF2 n 2 2f ⋅ 32 = = = R = = U= U R R R 1f2 ⋅f131 3 PFn Pn3 PFn PnU 2 2f⋅ Rf⋅U 1 3 f 2⋅ 31 R2f= PF =PFURU 2 2⋅ 3 1 PF =PF 1 1 2f UU R=f2 ⋅ 2R2f =⋅ 26= Pn = 6= Pn = U P P U 23 2f⋅2R⋅⋅U PFnF213 3 PPFFn P PnR 12 13 312 PPFFn P fR f2 3⋅f2R⋅ 3 R = = f U= = = = = FFU = = 22 ⋅ 1 R 22 ⋅R 1 f PPnnU f 2U 6 6 Pnn PP Pnn36 63 P RUf ⋅23URf 2⋅⋅331 31 P PnFn P 1 F F1 = FR= = = = = U U R R 2f 2f f f PFn PnURf U 31 3 PFn Pn31 3 2⋅ 31 ⋅ 23fU⋅2= R P =P U2U22⋅ 2R 1 PF =PF 1 1 R=f2 ⋅1U R2f =⋅f13= Pn = 3= PnF =FU ⋅U3RR 116 61 PP Pn P P PPFnF116 61 R R PPPFFn P PFnFU 2 2 f f ⋅ 3U f f⋅ 3 FF U = R = = = = f = = = R22f U R2f2 33 3 PP PP33= 3 P PPnnU P U U R ⋅ PnFn P 2 2 ⋅ Rf 1 1 PnFn PnFn1 1 ⋅ ⋅ 3 f 2⋅ 3 23 = FR = = U U= = R= R R Pn PnUf2f Uf2f 6 6 Pn Pn6 6 Rf2⋅ 31 1 PF PF 1 1 PF PF UR2f⋅ 3U = R=f2 R2f = = = = 3 31 PPn P PnF13 31 R PPFn P PnF2U⋅ R2⋅U ⋅ 2 1 2 f3U ⋅ 3 f F = RU = = = = Rf2 6 6 P P6 = 6 P PnU 2Rf U Rf⋅ 31 1 PnF PFn1 1 PnF P ⋅ 3 f = FR= = = = = R Pn PnUf2 U 2f 3 3 Pn Pn3 3 2⋅ 3 2⋅ 3 RUf RUf PF PF Rf Rf 1 1 PF PF1 1 = = = = = = Pn PnU 2 U 2 3 3 Pn Pn3 3 ⋅3 ⋅3 Rf Rf

Figur 17.21a-e Effektomsetning ved feil i trekantkopling

Effektomsetning ved feil i stjernekopling Dersom de samme fasemotstandene (hver på 23 Ω) som er vist på figur 17.21, og som utviklet en effekt på 6 900 W, blir koplet i en stjernekopling, blir linjestrømmen kvadratroten av tre mindre og effektutviklingen redusert til 1/3 av trekanteffekten. Stjernekoplinger kan vi bruke både ved 230 V IT-system og 230/400 V TN-system. Av hensyn til sammenlikningen og relasjonene mellom strøm-, spennings- og effektforhold velger vi også her å vise eksempler med stjernekoplingen i et 230 V IT-nett. Se figur 17.22.

224

17 FORDELINGSSYSTEMER – LAVSPENTE FORSYNINGSNETT

Stjernekoplinger For stjernekoplinger gjelder:

U = Uf · 3 Uf = Uf / 3 If = Uf /Rf I = If Pf = If2 · Rf P = Pf · 3 P = U · I · 3 · cos ϕ Qf = If2 · Xf Q = Qf · 3 Q = U · I · 3 · sin ϕ S =U·I· 3

(V) (V) (A) (A) (W) (W) (W) (VAr) (VAr) (VAr) (VA)

Lavspent fordelingsnett

Høyspentnett Transformator med fordeling

Kabelskap

Kabelstikkledning

Fordelingsskap Utg. kurser Inntak

Jordfeil- OV varsler

Måler kWh

500 kVA 22/0,24 kV Transformator med fordeling

Elverkets lavsp. forsyningskabel Kabelskap

500 kVA 22/0,24 kV

Kabelstikkledning

PSFP

Til fordelingsskap

Kabelstikkledning

Figur 17.27

Generatorspenningen i kraftstasjonene er ikke høyere enn 6–20 kV (kV = kilovolt = 1000 V). Spenningen blir derfor transformert opp til en høyere overføringsspenning på 132 kV, 220 kV, 300 kV eller 420 kV. Energien blir så distribuert (overført) gjennom en fjernledning til innføringsstasjonene, der spenningen blir transformert ned til området 30–60 kV og grovfordelt til understasjonene. Ved understasjonene blir spenningen transformert videre ned, til en fordelingsspenning på 5–20 kV. Denne spenningen (energien) går så ut til nettstasjonene. Her blir spenningen transformert ned til 400 V eller 230 V og fordelt til forbrukerne. Energiverkenes lavspente fordelingsnett og stikkledninger inn til boligene ble tidligere stort sett utført som luftnett. I dag blir begge deler vanligvis levert som jordkabelnett. I byer og tettbebyggelser utfører en i dag også høyspentnett som jordkabelnett.

17 FORDELINGSSYSTEMER – LAVSPENTE FORSYNINGSNETT 233

Stjerne- og trekantkopling – ∆/Y Dette står for henholdsvis trekant- og stjernekopling og viser hvordan viklingen for motoren skal koples. Vi må se dette i sammenheng med opplysningene om spenningen. Ved tilkopling til 230 V skal viklingene trekantkoples, og ved tilkopling til 400 V skal de stjernekoples. Motorens tre viklinger merkes med U1 – U2, V1 – V2 og W1 – W2. Motorviklingene avsluttes på motorens klemmebrett. Med løsbare lasker kan vi velge om motoren skal koples i trekant eller i stjerne. Dersom motoren tilkoples de tre fasene slik figuren viser: L1 til U1, L2 til V1 og L3 til W1, vil den gå i riktig retning, som normalt er med klokka når vi ser på motoren fra driftssiden (den siden som akselen er montert på).

W1 V1

V1 W1

W1 V1

W2 V2

V2 W2

W2 V2

U1 W1

U2 U1

W2 V2 V1

U1 W1 L1 L3

Figur 19.4 Stjernekopling

V2 V1

W1 L3 L1

L1 L3

Figur 19.5 Trekantkopling

Effekt – 7,5 kW Dette forteller oss at motoren er beregnet for å avgi 7,5 kW effekt. Denne effekten er den mekaniske effekten motoren avgir på akselen, og er derfor ikke den effekten motoren bruker som elektrisk effekt. På grunn av friksjon i lager, magnetisering og resistans i viklingene er det tap i alle motorer. Disse tapene går over i varmeeffekt og må føres bort fra motoren. Derfor er en del motorer utført med kjøleribber (stor overflate avgir mer varme enn liten overflate) og vifte. Store motorer kan også være utført med egen kjøling. Dersom vi kjenner motorens virkningsgrad, som betegnes med den greske bokstaven eta = η, så kan vi regne ut den tilførte effekten etter formelen P1 =

P2 η

19 ELEKTRISKE MOTORER 311

1 1

–Q4

I> I> I> 2

–Q1

–Q3

–Q2

–F2

–F3

–X1

–X1 2U

1U 1V 1W

M 3

2V 2W

–M1

Figur 21.4 Hovedstrøm i en dahlanderkoplet motor 4 Lav hastighet

6 7 Høy hastighet

Signal

–F1 L1

2 95

–F2 96 95

–F3 96 1

–S0

2 1

–S1

–S2 2

–Q1 13

–Q1

–S2 4

–Q3

–Q2

–S1

–Q1

–Q3 44

–Q3

–Q3 A2

–Q1

–Q3

–Q1

–Q2

–P1

–Q2 A2

–P2 X2

–P3 X2

Figur 21.5 Styring i en dahlanderkoplet motor

21 STYRING OG REGULERING AV HASTIGHET 337

Motor med atskilte viklinger På motorer med atskilte viklinger er viklingene koplet til motorens klemmebrett slik figur 21.6 viser. laveste turtall

høyeste turtall

L1 2U

1W L3

1V L2

2W L3

2V L2 L1 L2 L3

2U 2V 2W

1U 1V 1W

L1 L2 L3 Figur 21.6 Viklinger i en motor med atskilte viklinger

LAV HASTIGHET

Når spenning tilkoples klemmebrettet på 1U, 1V og 1W, går motoren med lav hastighet. Disse viklingene er viklet rundt for eksempel tre polpar. Når spenning tilkoples klemmebrettet på 2U, 2V og 2W, går motoren med høy hastighet, for disse viklingene er for eksempel viklet rundt to polpar. Forholdet mellom lav og høy hastighet på en slik motor blir da 2 : 3, som er det mest vanlige for motorer med atskilte viklinger. Typisk verdi for slike motorers synkrone turtall er 1000/1500.

L2 L3 1

–Q3

I likhet med den dahlanderkoplede motoren har også denne dobbelt sett termisk vern, sikringer og kabel, fordi den trekker forskjellig strøm ved forskjellige hastigheter. Utstyret må dimensjoneres etter de to strømmene, som det kan være stor forskjell på. Husk at det bare går strøm i den ene kabelen om gangen, slik at vi ikke behøver å tenke på reduksjonsfaktor for flere kabler til en slik motor. Styringen for denne motoren kan utføres som vist på figur 21.8.

338

21 STYRING OG REGULERING AV HASTIGHET

–Q4

I> I> I>

Hovedstrømmen for denne motoren blir koplet som på figur 21.7.

HØY HASTIGHET

–Q1 A2

I> I> I>

–Q2 A2

–F2

–F3 1U 1V 1W

2U M 3

2V 2W

–M1

Figur 21.7 Hovedstrømskjema for en motor med atskilte viklinger

3 Lav hastighet

5 6 Høy hastighet

7 Overstrøm Lav hastighet

8 Overstrøm Høy hastighet

–F1 L1

2 95

–F2 96 95

–F3 96 1

–S0

2 1

–S1

–S2 2

2 13

–Q1

–S2

–P1 A2

–F3

–F2

–Q1

–Q2

–S1

–Q2

–P2

–Q2 A2

–P3 X2

–P4 X2

Figur 21.8 Styring av en motor med atskilte viklinger

Motor med tre hastigheter Disse to motortypene, dahlanderkoplet og med atskilte viklinger, kan kombineres. En får da en motor med tre hastigheter. Figur 21.9 viser hvordan viklingen på denne typen blir utført. Typiske verdier for turtallene til en slik motor er 750/1000/1500. Motorer med tre hastigheter er lite brukt, fordi de er relativt dyre.

21 STYRING OG REGULERING AV HASTIGHET 339

Ved PAM-metoden varieres utgangsspenningens amplitude av mellomkretsen eller av vekselretteren. Frekvensen på disse spenningene styres av vekselretteren. En får da ut spenningspulser med varierende amplitude og frekvens til motoren. Motoren oppfatter disse spenningspulsene som en tilnærmet sinusspenning. Ved PWM-metoden kan en variere størrelsen og frekvensen på utgangsspenningen. Dette skjer i vekselretteren. Denne sender vanligvis en spenning som består av firkantpulser til motoren. Motoren oppfatter disse spenningspulsene som en tilnærmet sinusspenning. Figur 21.16 viser hvordan slike spenningspulser kan se ut, og hvordan strømmen til motoren blir. Legg merke til at det er spenningspulser som vi får fra motoren, og både frekvensen, bredden og høyden på disse kan reguleres. I og med at det ikke er rein sinusspenning vi får ut, må vi være oppmerksomme på at vi ikke kan måle strøm og spenning med vanlige instrumenter.

Figur 21.16a Spenningen ut fra frekvensomformeren

Vi skal ikke gå nærmere inn på hvordan denne vekselrettingen foregår her. Dersom du er spesielt interessert, kan du lese mer om det i litteratur fra leverandørene.

Styre- og reguleringskrets Fra denne enheten styres, måles og reguleres alle frekvensomformerens funksjoner. Denne delen har forbindelse til alle de andre delene. Den kan også sende og motta signaler fra utenforliggende enheter. På små frekvensomformere kan dette være en enkel enhet der vi bare kan stille inn og avlese enkelte funksjoner. På store frekvensomformere kan det være en liten «datamaskin» der nesten alle typer funksjoner kan stilles inn, måles og kontrolleres. I denne enheten sitter frekvensomformerens «hjerne», som er en mikroprosessor (CPU). I den blir en mengde signaler tatt imot, lagret, behandlet og vurdert. Etter behandlingen blir signaler også sendt ut fra denne til de andre delene i omformeren. På litt forskjellig måte fra modell til modell er det mulig å programmere denne enheten til å utføre en rekke oppgaver i tillegg til det å styre/regulere turtallet. Hver enkelt frekvensomformers håndbok gir nærmere opplysninger om dette.

344

21 STYRING OG REGULERING AV HASTIGHET

Figur 21.16b Motorstrømmen

Feilsøking og viklingskontroll i motorer og motorkretser Mulige feil i en asynkron kortslutningsmotor opptrer vanligvis i statorviklingene og kan være: • Overslag mellom fase og jord • Overslag mellom to faser • Brudd i viklingene eller tilkoplingene på klemmebrettet

Når vi undersøker motoren for slike feil bruker vi en isolasjonsmåler megger. NB ! Det er viktig å kople motoren fra den øvrige installasjonen før meggingene utføres,spesielt hvis det er elektronikk i kretsen. Overslag mellom fase og jord kan måles som vist i figur 23.1. Lar vi koplingene på klemmebrettet stå urørt, er det her nok å måle mellom en fase og jord. Er det feil i en av fasene vil da måle en for lav isolasjonsresistans. Tilkoplingene på klemmebrettet må i såfall tas bort og hver fase måles hver for seg. Isolasjonsmåling mellom faser må måles med laskene fjernet fra klemmebrettet som vist på figur 23.2. Alle viklingene må kontrolleres mot hverandre. For kontrollere brudd i en vikling kan vi måle resistansen i viklingene som vist på figur 23.3. Til dette kan vi bruke den samme meggeren, men stille inn på måleområde ohm. Verdien som vi måler i de tre viklingene skal ikke avvike mer enn 0,5 %.

U1 L1

V1 L2

W1 L3

Ω Figur 23.2

366

23 MÅLEINSTRUMENTER

U1 L1

MΩ Figur 23.3

V1 L2

W1 L3

U1 L1

MΩ Figur 23.1

V1 L2

W1 L3

Θ<

υ>

1 2 3 1 2 3 1 2 31 2 3

Symbolbeskrivelse

Symbol i styrestrøm

Relé-, kontaktorspole

–K, –Q

Kontaktor, hovedsluttekontakter, tre-fase

–Q

I> I> I>

Kontaktor med bimetallrelé

Trepolig bryter med termisk og magnetisk overstrømutløser

Bokstavkode

–Q

I> I> I> I> II> I I>I

–Q

> > > I> I> I> I> I> I> I> I>

Skillebryter

–Q

Effektbryter

–Q

Sikringsskillebryter P>

–F

Q P< P<

Sikringslastskillebryter P< P<

P< υ<

Q P<

–Q M 3

P> P>

P> Termisk relé Q retur avkjølt υ>

–F

1 2 3

υ< P> Termisk Q

relé bryte- og sluttekontakt, selvsperre, manuell retur

–F

υ>

Spole for relé som er tregt υ< ved tilslag

M 3M 3 M 3

M 3 M 3

M 3M 3

M 3 M 3

1 2 3

M 3

υ>

1 2 3

–K

M 3M 3 M 3

372

24 TILLEGG

7408

IEC symbol

A B

ANSI symbol

Sannhetstabell

A B

≥1

S1 S2 P1

B A Q 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1

OR ELLER

7404

Ekvivalentskjema

B A Q 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1

AND OG

7432

Logisk uttrykk

A Q 0 1 1 0

NOT (INVERTER) IKKE

7400

A B

B A Q 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0

NAND IKKE OG

7402

A B

≥1

NOR IKKE ELLER

7486

A B

EXCLUSIVE OR (X-OR) Ulikhetsdetektor

74HC 7266

A B

EXCLUSIVE NOR (X-NOR) B Likhetsdetektor

376

24 TILLEGG

B A Q 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0

B A Q 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 1

S2 P1

Logiske grunnkoplinger

B A Q 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0

eller S2 P1

Formler

Prefiks

Størrelser

Formler

Prefiks

Ohms lov

U = R ⋅ I eller R =

Effekt Resistorer Seiekopling

P=U⋅I Rerst = R1 + R2 + R3 + Rn 1 1 + ... + R Rn

Parallellkopling Ledningsresistans Energi

l A W = P⋅t R = ρ⋅

Indusert ems

Q = C ⋅U = I ⋅t A C = ε0 ⋅ εr ⋅ d e = B⋅v⋅l

Induktans i spole

L=N⋅

Ladning Kapasitans

∆Φ ∆I

L = µ0 ⋅ µr

Vekselspenning

u = û ⋅ sin ϕ

Frekvens

1 T û U= 2

Effektivverdi

U I

N2 ⋅ A l

f =

î 2

Tallfaktor

Navn

Betegnelse

1012 109 106 103 102 101 10–1 10–2 10–3 10–6 10–9 10–12 10–15 10–18

tera giga mega kilo hekto deka deci centi milli mikro nano piko femto atto

T G M k h da d c m µ n p f a

Størrelser i ellære Navn Elektrisk energi

Symbol

Enhet

Betegnelse

wattsekunder

Elektrisk strøm

ampere

Ladning Elektrisk spenning

Q U

amperesekund volt

As V

Kapasitiv reaktans

1 Xc = 2π ⋅ f ⋅ C

Kapasitans

farad

Induktiv reaktans

X L = 2π ⋅ f ⋅ L

Magnetisk fluks

weber

Impedans

Effektfaktoren Transformatoren

U I

X 2 + R2

P cos ϕ = S

N2 U2 I = = 1 N1 U1 I2

Magnetisk flukstetthet

tesla

Resistans

ohm

Ω

Reaktans

ohm

Ω

Induktans

henry

Impedans

ohm

W Ω

Aktiv effekt

watt

Reaktiv effekt

voltamperereaktiv

var

Tilsynelatende effekt

voltampere

Resistivitet

ohmmeter

Ωm

24 TILLEGG 377