3-fas växelström
Sven-Bertil Kronkvist
3 Kort om läromedlet
En grundläggande krets
4 Allmänna elnätet
5 Neutralpunkten
4-ledarsystem
5-ledarsystem
6 Spänningarna hos konsumenten
Storleksförhållande huvud och fasspänning
Fasspänning
Period och frekvens
7 Enfasuttag
Trefasuttag
Kopplingsdoser
8 1-fasbelastning
2-fasbelastning
9 3-fasbelastningar
Y-koppling
D-koppling
10
10
Testa-dig-själv 1
Testa-dig-själv 2
Testa-dig-själv 3
12 Koppla-själv-ett-trefasnät
13 Kopplingar i belysningskretsar
14 Belysningsinstallation
Testa-dig-själv 4
15 Koppla-själv-belysningsinstallation
16 Elmotorer
Asynkronmotorns poltal
17 Asynkronmotorns varvtal
Testa-dig-själv 5
18 Statorlindningar
Y-kopplad motor
D-kopplad motor
19 Kontroll av statorlindningarna
Hur ska man mäta?
Testa-dig-själv 6
20 Asynkronmotorns rotationsriktning
Motorns märkskylt
21 Verkningsgrad
Startström
Motorskydd
Säkringar
22 Överlastskydd
Nollspänningsskydd
Startapparater
Montering
23 Direktstart
Handmanövrerat startdon
24
Testa-dig-själv 7
25 Kontaktormanövrerat startdon
26 Självhållning
27
28
29
Stopp
Testa-dig-själv 8
Överlastskydd
Nollspänningsskydd
Inställning av överlastskydd
Funktionsprov
Testa-dig-själv 9
Testa-dig-själv 10
Y/D-start
30 Frekvensomformare
Motorkoppling med frekvensomriktare
Testa-dig-själv 11
31 Enfasdrift av trefas asynkronmotor
Rotationsriktning
Testa-dig-själv 12
32 Enfas asynkronmotor
Universalmotorn
Testa-dig-själv 13
33 Trefasgeneratorer
Trefas system eller tre enfaskretsar
34 Y-kopplad belastning med nolledare Y-kopplad belastning utan nolledare
Addering av strömmarna i nolledaren
35 Spänning och ström i trefasbelastningar
Effektutveckling i trefasbelastningar
Uppdelning av växelströmseffekt
36 Effektformler för trefasbelastningar
Aktiv effekt i induktiv belastning
37 Reaktiv effekt i induktiv belastning
38
39
Testa-dig-själv 14
Elsäkerhet
Jord 40 Bästa skyddet
41
Skyddsjord
Testa-dig-själv 15
Dubbelisolerade elapparater
42 Säkringar
43 Jordfelsbrytare
44 Enkel testutrustning för jordfelsbrytare
45 Klenspänning
45 Lagstiftning
Behörighet
CE-märkning
Elsäkerhetsverket
46
58
Sammanfattning av elläran
Facit till Testa-dig-sjä
Kort om läromedlet
Det här läromedlet orienterar om 3-fas växelström och det allmänna elnätet. Eftersom trefasteknik bygger på kunskap om lik- och enfas växelström, finns det en sammanfattning av såväl lik- som 1-fas växelström i slutet av boken. Det går att börja med 3-fas direkt, men författaren rekommenderar att inleda med en genomläsning av sammanfattningen och därefter ha den som uppslagsdel. Vilket valet än blir, så läs nedanstående avsnitt först.
En grundläggande krets
Det är värt att lägga på minnet att alla elektriska kretsar, både likströms- och växelströmskretsar, alltid består av en spänningskälla med en inre resistans (impedans) och en belastning,.
Tänka el innebär till stor del att kunna se den grundläggande kretsen, även om spänningskällan och belastningen varierar i form och egenskaper.
Verklig krets
Bildlikt ritad Symboliskt ritad
Verklig krets
Elnätet är spänningskälla Belastningen är strykjärnets elspiral
Generator Belastning Symbolisk ritning
Allmänna elnätet
I det allmänna elnätet är kraftverkens trefasgeneratorer spänningskällor. De producerar tre i tiden förskjutna spänningar som var och en, eller gemensamt, kan driva ström genom belastningar.
I kraftstationerna görs en upptransformering av generatorspänningarna. Lägg märke till de höga värdena, 400kV (400 000 Volt) 130kV, 40 – 70kV, 10 -20kV före nätstationerna.
Med hög spänning behöver strömmen i ledningarna inte vara så stor. På så sätt blir spänningsförlusterna över ledningarna mindre.
I nätstationerna görs en nedtransformering till 400/230V med trefastransformatorer.
Elnätets högspänning är ansluten till primärlindningarna medan sekundärlindningarna står i förbindelse med elkonsumenternas vägguttag via säkringscentraler
Neutralpunkten
Övergår man från ett bildlikt till ett symboliskt ritsätt och endast ritar sekundärlindningarna, ser man hur de är kopplade till en gemensam neutralpunkt som är förbunden med jord. Neutralpunkten kallas därför ofta för jord.
4-ledarsystem
Till en säkringscentral ansluts tre fasledare, L1, L2 och L3, samt en PEN-ledare som är gemensam skydds- (Protective Earth) och nolledare (Neutral).
I säkringscentralen delas PEN-ledaren i separata skydds- och nolledare då de kopplas till vägguttag, trefaskontakter och andra förbrukningsställen.
5-ledarsystem
I femledarsystem utgår separata PE- och N-ledare redan från neutralpunkten. Observera att PE- och N-ledare aldrig får vara gemensam efter säkringscentralen, varken i 4- eller 5-ledarsystem.
Nollskruven används för att dela på skydds- och neutralledare vid isolationsprovning av en elanläggning.
Spänningarna hos konsumenten
I säkringscentralen hos konsumenten finns tre huvudspänningar på vardera 400V och tre fasspänningar som alla är 230V.
Lägg märke till att huvudspänningarna finns mellan de tre fasledarna och att de är kopplade till var sin fasskena. Till fasskenorna är ena sidan av alla säkringarna (propparna) är anslutna. Andra sidan hos säkringarna kopplas till belastningarna via, t ex enfas vägguttag. Fasspänningarna återfinns mellan PEN-ledaren och respektive fasledare.
Både huvud- och fasspänningarna är angivna i effektivvärden. Toppvärdena är √2 gånger större. Fasspänningens toppvärde är t ex 230∙√2=325V så som visas i diagrammet.
Period 20 ms
Storleksförhållande mellan huvud- och fasspänning Ett viktigt samband som bör kommas ihåg är att huvudspänningen är √3 gånger större än fasspänningen, dvs 230 √3=400V
Period och frekvens
En period varar 20ms. Det innebär att spänningens sinuskurva upprepas 50 gånger på en sekund, men istället för att säga att det finns 50 perioder på en sekund, säger man att spänningens frekvens är 50Hz.
Enfasuttag
Var och en av de tre fasspänningarna på 230V kan kopplas via en säkring till enfasuttag. Lägg märke till hur den inkommande PENledaren delas i PE- och N-ledare i säkringscentralen och hur de är anslutna till enfasuttaget.
Trefasuttag
Till trefasuttag kopplas, förutom N- och PE-ledarna alla tre fasspänningarna via varsin säkring. I trefasuttag får elkonsumenten därför tillgång till både fasspänningarna på 230V och huvudspänningarna på 400V mellan L1, L2 och L3.
Kopplingsdosor
Permanent uppställda elapparater som spisar och värmepumpar, är ofta fast anslutna till elnätet via en kopplingsdosa. Somliga apparater ansluts som enfas-, andra som två- eller trefasbelastningar. Fler alternativ finns inte, och det är definitivt värt lära sig hur det görs.
Enfasbelastning
Tänk dig en elradiator. De kan ha en, två eller tre värmespiraler. De fungerar som resistorer och kan ofta anslutas på olika sätt. Så här kopplas de in som enfasbelastning.
Lägg märke till att det behövs tre ledare. En fasledare via en säkring, en blå neutralledare och den gulgröna skyddsledaren.
Spänningen över belastningen är 230V.
Tvåfasbelastning
Tvåfasbelastningar ansluts också med tre ledare, två fasledare via två säkringar, ingen neutralledare, men den gulgröna skyddsledaren ska vara med.
Spänningen mellan två faser, och därmed också över belastningen, är 400V.
Testa-dig-själv-3
a)Anteckna de förväntade mätresultaten i multimeterns display i respektive mätsituation.
b)Var det fas- eller huvudspänningar du mätte?
c)Anteckna de förväntade mätresultaten i respektive display.
d)Var det fas- eller huvudspänningar du mätte?
e) Kontrollerade du om rätt mätområde valts?
f) Finns det tillgång till en kopplingsdosa provar du att göra samma mätningar på riktigt, men räkna inte med att fas-, neutral- och skyddsledare sitter i samma ordning som på bilderna.
Belysningsinstallation
Vi avrundar med att läsa ritningen för elinstallationen i en bostad. För att förstå ritningen fullt ut behöver man veta vad varje symbol betyder. Med en något lägre ambitionsnivå kan man ändå tolka ritningen med hjälp av de inlagda fotografierna.
Observera att ledningarna mellan kopplingspunkterna ritas med en linje, även om det krävs mer än en ledare. Det skulle bli för rörigt annars. En erfaren elektriker vet ändå hur många ledare som behövs för att ansluta de olika donen.
Testa-dig-själv-4
Ägna en stund åt att läsa ritningen och besvara frågorna.
a) Hur många jordade vägguttag finns det i ritningen?
b) Hur många ledare behövs för att ansluta ett jordat vägguttag?
c) Hur många lamputtag finns det?
d) Hur många ledare ska dras till ett jordat lamputtag?
e) Hur många strömställare finns det?
Elmotorer
Elmotorer är maskiner som omvandlar elektrisk energi till mekanisk. Det finns både lik- och växelströmsmotorer och i båda grupperna finns olika typer med speciella driftsegenskaper.
Bland växelströmsmaskinerna är trefas asynkronmotorer vanligast.
De är mycket driftsäkra och det är lätt att reglera deras varvtal.
Huvuddelarna i alla elmotorer är en stator och en rotor med tillhörande drivaxel. I en trefas asynkronmotor har statorn tre lindningar som alstrar roterande magnetfält då de ansluts till en trefasspänning.
Magnetfältet utövar i sin tur kraftverkan på rotorn så att den och drivaxeln roterar.
Asynkronmotorns poltal
Det roterande magnetfältet kan bestå av 2, 4, 6, 8 eller flera nord- och sydpoler beroende på hur statorlindningarna förlagts runt statorn. Så här ser de magnetiska fältbilderna för 2-, 4- och 6-poliga maskiner.
Statorlindningar
Statorlindningarna båda sidor är åtkomliga i motorns anslutningsbox och är märkta som i figuren här under.
Genom att bygla motorns anslutningsplint kan statorlindningarna kopplas antingen Y- eller D-kopplade. De kallas så för att de liknar ett Y respektive D i vissa elritningar.
Y-kopplad motor
Över varje lindning, mellan L1, L2, L3 och mittpunkten, finns fasspänningarna på 230V. Mittpunkten kan, men behöver inte, anslutas till neutralpunkten eftersom fasspänningarnas tidsförskjutning gör att det inte flyter någon ström från mittpunkten.
D-kopplad motor
D-kopplad motor. Över varje lindning finns huvudspänningen på 400V. Här går det inte, ock ska inte anslutas någon N-ledare. Observera att motorlindningarna alltid måste vara avsedda för den spänning som läggs över dem. Här är det 400V.
Testa-dig-själv-8
Vad visar multimetrarna om kopplingen är felfri och du tryckt in startknappen strax innan du gör de fyra mätningarna? Skriv svaren i instrumentens displayer.
Kom ihåg att kontakterna ritats i opåverkat läge. Du måste själv tänka efter vilka kontakter som påverkas då startknappen trycks in. Rita gärna de nya lägena direkt i schemat.
Frekvensomformare
Ett allt vanligare och bättre sätt är att mjukstarta motorn med en frekvensomformare. Mycket förenklat så likriktas den ingående växelspänningen. Med hjälp av elektronik görs likspänningen därefter om till ”konstgjorda” trefasspänningar vars frekvens kan ändras.
Motorn kan därigenom startas med ett lågt varvtal som ökas efter hand, utan att stora startströmmar uppstår och med bibehållet högt startmoment.
Motorkoppling med frekvensomriktare
Frekvensomformaren monteras mellan säkringscentralen och säkerhetsbrytaren.
Testa-dig-själv-11 a) Är motorn Y- eller D-kopplad?
b) Vilket varvtal har motorn om den är 4-polig?
Ledning: Använd varvtalsformeln och läs av frekvensen på frekvensomformaren.
Trefasgeneratorer
I alla generatorer utnyttjas det induktionsfenomen som Michel Faraday upptäckte år 1831-32.
I lindningar som omsluter ett magnetiskt flöde som ändrar storlek eller riktning induceras (allstras) en spänning.
I modellen av trefasgeneratorn ovan ändras det magnetiska flödet i de tre generatorlindningarna då elektromagneten roterar förbi dem.
De tre sinusformade spänningarna som induceras under ett varv är fasförskjutna 120 i förhållande till varandra eftersom lindningarna är anordnade så.
Varje lindning är en separat enfasgenerator som kan driva ström genom en belastning.
Generatorlindningen har här ersatts med en generatorsymbol.
Trefassystem eller tre enfaskretsar
I följande ritningar har ett symboliskt ritsätt använts. Först ser vi hur trefasgeneratorn är tre separata enfasgeneratorer kopplade till separata belastningar. Det sneda Y-formade ritsättet illustrerar generatorlindningarnas och fasspänningarnas förförskjutning på 120° .
I det allmänna elnätet är belastningarna inte direktanslutna till generatorlindningarna. Det finns både säkringar, transformatorer och mera, mellan kraftverken och elkonsumenterna.
Effektformler för trefasbelastningar
Skenbara effekten i varje fas
Inför 3
3 faser
Skenbara effekten i tre faser
Resistiva fasbelastningar
Är fasbelastningarna resistiva finns ingen fasförskjutning mellan spänningen över och strömmen genom belastningen. Då är den skenbara effekten lika med den aktiva effekten.
Aktiv effekt i induktiv belastning
Aktiva effekten i varje fas
Inför
Inför
Förklaring
Förkorta 3 = 3 3 3
3
Elsäkerhet
Om en person av någon orsak samtidigt kommer i kontakt med elnätets fasspänning på 230 V och jord, flyter det ström genom personen, precis som genom vilken annan belastning som helst.
Jord
Elnätets jordpunkt har kontakt med allt som är i förbindelse med marken, t ex rörledningar, vattenkranar, radiatorer, diskbänkar, golv av betong med mera.
Beroende på strömmens storlek, dess väg genom kroppen och inkopplingstiden riskerar man att få kramper, brännskador, andningssvårigheter och att dö.
Kroppens resistans varierar, men kan vara så låg som 1000 Ω. Beräknat med Ohms lag ger det en ström på 0,23 A vid spänningen 230 V. Det är betydligt mer än de 0,020–0,030 A som kroppen kan klara en mycket kort stund.
Bästa skyddet
Det bästa skyddet mot elolyckor är kunskap och ett respektfullt förhållningssätt. Näst bästa skydd, om olyckan trots allt är framme, är skyddsjord, säkringar och jordfelsbrytare.
Skyddsjord
Har en elapparat ledande hölje är det en utsatt del, som ska anslutas med gul-grön ledare via säkringscentralens skyddsledarskena till neutralpunkten.
Om apparaten och ledningarna är felfria, begränsas strömmen av belastningen, och säkringen förblir hel.
I en apparat med kortslutning till det ledande höljet blir strömmen så stor att säkringen löser ut.
Klenspänning
Vid arbete med elektrisk utrustning i särskilt utsatta miljöer eller vid risk för beröring av spänningsförande delar används klenspänning på högst 50 V, vanligen 48 V, 24 V eller 12 V. Exempel på sådana situationer är om någon arbetar i en cistern eller då man leker med elektriska leksaker.
Lagstiftning
Elnätetsspänningarärlivsfarligthöga!Därförfinnsdetomfattande lagstiftningochföreskrifterförhurelanläggningarochelapparaterska varabeskaffade,vilkaelarbetensomfårgörasavvemsomhelstoch vilkasomkräversärskildbehörighet.
Behörighet
Allmänbehörighetärdenmestomfattandebehörighetsgraden,med kravpåsåvälgymnasieutbildning,vidareutbildningielkrafttekniska ämnenochpraktik.
Begränsadbehörighetfinnsitrevarianter,somvarochenharsinakrav påutbildningochpraktik.
CE-märkning
FörattelprodukterskafåsäljasinomEUskadeuppfyllakravenförCEmärkning.Ikortadraginnebärdetatttillverkarenellerimportören intygarattproduktenärsäkerföranvändarenochuppfyllerde säkerhetskravsomgällerinomEU.Varjeproduktskaföljasav dokumentationmedhänvisningtillgällandestandardochtillverkarens namnochadress.
Elsäkerhetsverket
Elsäkerhetsverketärdenmyndighetsomharansvarförelsäkerhetsfrågor,somgerutstarkströmsföreskrifter,utförbesiktningav elanläggningarochutfärdarbehörighetsbevis.
Föreskrifterochförordningarändrarsigfråntidtillannan.Aktuell informationhämtarmandärförbästpåElsäkerhetsverketshemsidapå Internet.
Tänk på
Lagstiftning och regler om elanläggningar, behörigheter med mera ändras då och då. Färsk information om vad som gäller kan och bör sökas på Elsäkerhetsverkets hemsida om tveksamhet råder.
