View
4
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
Sähkötekniikka ja elektroniikka
Kimmo Silvonen (X)
16.10.2017
Sähkövoimatekniikka, kolmivaihejärjestelmäLuento 16.10.2017
Ï Sähköliittymä, pistorasiatÏ Kolmivaihejärjestelmä ja voimavirtaÏ Tähti- ja kolmiokytkentäÏ Yksivaiheinen sijaiskytkentäÏ Muuntaja ja keskinäisinduktanssi M lyhyestiÏ Vaihtovirtamoottorit lyhyestiÏ Ensimmäisen välikokeen alue päättyy tämän viikon jälkeen
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421016.10.2017Page 2 (25)
Sähköpiirustusmerkkejä A Selection of Wiring Symbols
g�� g�� g����
g����
@@
@@
g��@@ g� ����@@ g� ����������
@@��w��
@@��w��
��
�� ���� ������
JK ����
PAK ����
AP(K) ����
VP ����
L ����
VKKY KVR
@@�� ����@@�� @
@�� @
@�� @
@�� @
@��
@@��
��@@
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421016.10.2017Page 3 (25)
Kolmivaihejärjestelmä 3-Phase SystemGeneraattorin kolme käämiä (RST, RYB) samalla akselilla
��
��
�����
AAAAAAAAAA
AAAAAAAAAA
rUSr
- -
�����
��
��
����������
����������
rUTr
B �����
��
��rURr
- -
B
����������pyörimisakseli
$?
rr
Jos kaikki Suomen järvet, arviolta 250 ·109 m3, kevytmaidoksi muuttuisivat, sitä
vastaava sähköenergia riittäisi 1500:ksi vuodeksi (taantuma-Suomen vuosikulutus
on noin 85 TWh).
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421016.10.2017Page 4 (25)
Tähti- (Y) ja kolmiokytkentä (∇)RGB-värit ovat tässä selvennyksenä — niillä ei ole yhteyttä käytäntöön
tähtipiste nollajohdin
T(L3)
S(L2)
R(L1)
T(L3)
S(L2)
R(L1)
voima-
virta
����− +
ER
230 V
230 V
230 V
Kolmiokytkentäverkkovirta
verkkovirta
verkkovirta
����− +
ES
400 V
����− +
ET
����+
−ERS
����+
−EST
����−
+ETR
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421016.10.2017Page 5 (25)
Pääjännite / vaihejänniteVaihejännitteet ovat tasavälein ympyrän kaarella, symmetria
ERS / ER
415 / 240 V
400 / 230 V eRS = 566 V
380 / 220 V
eR(t)= esin(ωt−0◦) ER =E∠0◦
eS(t)= esin(ωt−120◦) ES =E∠−120◦
eT(t)= esin(ωt−240◦) ET =E∠−240◦
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421016.10.2017Page 6 (25)
Joka kodin sähköliittymä Electricity at HomeTehokkain tapa säästää energiaa on lämmittää termostaatteja!
���
35 A��
�
35 A��
�
35 A
L1
L2
L3
N0pääsulakkeet
mittauskeskus, ryhmäkeskus ja sulakkeet
�
PE (KEVI)tmaadoituskupari, 2 x 20 m
L1 = Line 1, PE = Potential Earth, KEVI = kelta-vihreä
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421016.10.2017Page 7 (25)
Pistorasiat Schuko Outlet (Schutzkontakt)Kahden pistorasian välillä voi olla 400 V jännite!
L1 (R)
L2 (S)
L3 (T)
N
&%'$e
PE
e &%'$e e &%'$e e
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421016.10.2017Page 8 (25)
Osoitindiagrammi Phasor Diagramvrt. vektorien vähennyslasku vs. Kirchhoffin jännitelaki
ER = ERSp3∠−30◦ ERS =
p3ER∠30◦
-SSSSo
����/���
���
��* ER
ES
ET
ERS
−ES +ER −ERS = 0⇒ERS =ER −ES
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421016.10.2017Page 9 (25)
Nollajohtimen virta Neutral Wire Current I0 = 0Vai onko sitä?
-IR-
����/
IS-
I0-
SSSSo
IT-
r
I0 = IR + IS + IT
I0 = I∠0◦+ I∠−120◦+ I∠−240◦ = 0
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421016.10.2017
Page 10 (25)
Kolmivaihejärjestelmän hetkellinen tehoon ajasta riippumaton vakio! Constant Instantaneous Power
uR(t)=p
2 |U| sin(ωt+φu)
iR(t)=p
2 |I| sin(ωt+φi)
uS(t)=p
2 |U| sin(ωt+φu −120◦)iS(t)=
p2 |I| sin(ωt+φi −120◦)
uT(t)=p
2 |U| sin(ωt+φu −240◦)iT(t)=
p2 |I| sin(ωt+φi −240◦)
p(t)= uR(t)iR(t)+uS(t)iS(t)+uT(t)iT(t)= 3|UI|cos(
φ=ϕ︷ ︸︸ ︷φu −φi) 6= f(t)
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421016.10.2017
Page 11 (25)
Kolmivaihejärjestelmän teho System Power ExampleJoka vaiheessa on sama kompleksinen teho!
S:n ja Z:n kulma ei riipu jännitteen ja virran kulmista, vaan kyseistenkulmien erotuksesta φ, esim. |UV| = 120 V, |IV| = 30 A, φ= 30◦:
S=URI∗R +USI∗S +UTI∗T= (120∠0◦) · (30∠−30◦)∗
+(120∠−120◦) · (30∠−150◦)∗
+(120∠−240◦) · (30∠−270◦)∗
≈ (120+0j)(26+15j)
+(−60−104j)(−26+15j)
+(−60+104j)(0−30j)
≈ 3×3120+3×1800j
= 3UVI∗V
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421016.10.2017
Page 12 (25)
Kolmio–tähti-muunnos impedansseille (∇⇒ Y)Esim. molemmat kiukaat lämmittävät yhtä hyvin
Z∇3
=ZYR∇3
=RYL∇3
=LY 3C∇ =CY
IR-
IS-
IT-
Z∇/3
Z∇/3
Z∇/3
Z∇
Z∇
Z∇
IR-
IS-
IT-
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421016.10.2017
Page 13 (25)
Yksivaiheinen sijaiskytkentä 1-Phase EquivalentMuodostuu tähtikytkentäisestä verkosta, väreillä ei ole tässä yhteyttä käytäntöön
Nollapotentiaalissa olevat tähtipisteet voidaan yhdistää − käytännössä näin tehdäänkin:
����− +
ERR' $
IR-
r ����− +
ESR& %r
����− +
ETR& %
IR-
&%'$����+
rIS�&%'$����+�
�Q
Q
IT6&%'$����+
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421016.10.2017
Page 14 (25)
Muunnos: kolmiokytkentä → tähtikytkentäR-vaihe on merkitty punaisella, renkaat ovat samassa potentiaalissa V = 0
������L
������L
� ��+−
ERS
� ��+−
EST
� ��−+ETR
R
R
Rqq
q
qqq
IR-������
L
������L
������L
� ��−+� ��− + q
q
q
IR-q
� ��+−
ER
������L
V = 0eeV = 0
R3
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421016.10.2017
Page 15 (25)
Yksivaiheinen sijaiskytkentä 3-to-1 PhaseVaiheiden edustajaksi arvottiin vaihe R; esim. IR ei muutu piirimuunnoksessa!
����− +
ER
������L R/3IR
-
@@
�� gg ����− +
ES
����− +
ET
������L
������L
R/3
R/3
����+
−ER
IR-������
LR3
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421016.10.2017
Page 16 (25)
Muuntajat ja keskinäisinduktanssi MTransformer, Mutual InductanceKytkentäkerroin k. Muuntosuhde n on epätarkka tapa kuvata muuntajaa!
������ ������s s�-M
L1 L2
I1-
I2�
R����+
−U1
?
U2
?
U1 = jωL1I1 + jωMI2
U2 = jωMI1 + jωL2I2
n= U2
U1=
ML1
1+ jω L1L2−M2
L1R
k= M√L1L2
≈±1
−I1
I2= jωL2 +R
jωM= L2
M+ R
jωM
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421016.10.2017
Page 17 (25)
Keskinäisinduktanssi Mutual InductanceKäämivuo ψ, magneettivuo φ. Hajavuo: φh
$%
#"-i1
'& !
' $?
φ11 φh
��?
φ21�0
$%
#"
-0'& !
' $?
φ12 φh
��?
φ22
�i2
L1 = ψ11
i1= N1φ11
i1M = ψ12
i2= N1φ12
i2=M12
M21 =M = ψ21
i1= N2φ21
i1L2 = ψ22
i2= N2φ22
i2
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421016.10.2017
Page 18 (25)
Langaton lataaminen Wireless chargingmm. Qi standardi (qi = ’chee’ = natural energy), resonanssipiirit
Kytkentäkerroin (löyhä kytkentä):
k2 = M2
L1L2< 0,01 (1)
ω= 2πf0 ≈ 1√L1C1
≈ 1√L2C2
(2)
Käämit muodostavat muuntajan:
����+
−E ����
�� ������s s�-M
L1 L2C1 C2 RL
lähetin eli laturi vastaanotin, esim. puhelin
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421016.10.2017
Page 19 (25)
Moottorit ja generaattorit; moottorityyppejäMoottori toimii usein generaattorina, mutta ei aina
Ï Tasavirtakoneet. Kommutointi eli napaisuuden vaihto.Ï Vaihtovirtakoneet. Toiminta on usein verrattavissa muuntajaan.Ï Staattori indusoi roottoriin virran, joka muodostaa
magneettikentän.Ï Tahtikone: roottori pyörii samalla nopeudella kuin
magneettikenttä (synkroninen nopeus ns).Ï Epätahtikone: roottori pyörii pienemmällä nopeudella kuin
magneettikenttä (jättämä).Ï Oikosulkumoottori on yleisin epätahtikone. Roottorin
häkkikäämitys: urissa sauvat ja niiden päissä oikosulkurenkaat.Ï Selluloosainduktio: vie pahvia tai paperia ulos! Se indusoi sateen — kokeile vaikka!
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421016.10.2017
Page 20 (25)
Epätahtimoottorin pyörimisnopeus n, tahtinopeus ns3-vaihemoottorissa on vähintään 6 napaa (p= 1)
Ï Napapariluku p; jokainen käämi(vyyhti) tuottaa mangneettisenpohjois- ja etelänavan.
Ï Napaluku 2p; napajako τ= 360◦/(2p)Ï Tahtinopeus ns = f
p eli magneettikentän pyörimisnopeus.Ï Pyörimisnopeuden n säätö on mahdollista taajuusmuuttajalla tai
napaparien määrän valinnalla (s on jättämä): n= (1−s)ns.
p ns[rpm= 1
60 s]
n= (1−s)ns, kun s= 0,151 3000 25502 1500 12753 1000 8504 750 637,55 600 5106 500 425
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421016.10.2017
Page 21 (25)
Jättämä s riippuu mekaanisesta kuormastavrt. laskuharjoitustehtävä 53
Ï Jättämä s= ns−nns
= ∆nns
(lausutaan usein prosentteina)Ï Kuormitus vaikuttaa jättämään ja siten todelliseen
pyörimisnopeuteen n.Ï Tyhjäkäynnissä s= 0 eli n≈ ns
Ï Mekaaninen kulmanopeus w= 2πn= (1−s)ωp (ω= 2πf )
Ï Käynnistysvirta on moninkertainen verrattuna jatkuvan tilanvirtaan. Tähti–kolmio-käynnistin pienentää käynnistysvirtaakertoimella 1p
3≈ 0,577
Ï Moottorin hyötysuhde η= akseliteho / sähkötehoÏ Momentti = voima x säde
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421016.10.2017
Page 22 (25)
Luentoviikkojen sisältöYhteyksiä käytäntöön
1. Kaikissa virtapiireissä olennaiset peruslait.
2. Komponenttien toiminnan perusta. Ajan funktiona muuttuvatei-periodiset (ja periodiset) jännitteet ja virrat (signaalit).Kytkimien aiheuttamat kertailmiöt.
3. Siniaalto ja muut jaksolliset aaltomuodot, muutos toistuvaa.Signaalien käsittely elektroniikassa.Sähkövoimatekniikka, vaihtovirta 50 Hz.
4. Vaihtovirran teho. Sähkö energian lähteenä.
5. Sähkön tuotanto ja siirto kuluttajien ja teollisuuden näkökulmista.
6. 1. vk:n jälkeen: Sähkön aaltoluonne. Suuret taajuudet, pitkätjohdot, RF-tekniikka. Nopeat digitaalitekniikan pulssit.
7. . . . 10. Elektroniikkaa
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421016.10.2017
Page 23 (25)
1. välikoe ma 23.10. klo 10.00-12.00, U2 (Mellin)
Ï Labrat alkavat koeviikon jälkeenÏ Kako, laskin (myös graafinen), (MAOL), (sanakirja)Ï 5 laskua (valitse 4!), yksi laskuharjoitustehtävistäÏ Tulokset ja ratkaisut tulevat Mycoon alustavasti 26.10.Ï Vanhat koetehtävät: kimmos.netÏ Palautejärjestelmä avataan myöhemmin. Lisäpiste!Ï Kurssi jatkuu välikokeen jälkeen 30.10. siirtojohdoilla ja
elektroniikalla. Näihin pääsee helposti kiinni, vaikka ei vieläosaisi kompleksilukuja. Tsemppiä!
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421016.10.2017
Page 24 (25)
TulossaVälikokeen jälkeen
Ï Neljäs passiivinen piirielin onkin siirtojohto!Ï Sähkövirran aaltoluonneÏ Harrastaako virta pintaliitoa?Ï Mistä jännitelähde tietää, mitä johdon päähän on kytketty?Ï Aallon kulkuaika ja heijastuminenÏ Mitä erikoista on antenni- tai ethernet-kaapelissa?Ï Mitä terminaattori puuhaa lapamadon kaa?
Ï Loppukurssi käsittelee tämän jälkeen elektroniikkaa
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421016.10.2017
Page 25 (25)
Recommended