Elektrofag og elsikkerhet

Faktabok

Elektrofag og elsikkerhet

Faktabok

© PED TEC AS 2002-2019ISBN: 978-82-93002-03-15. opplag 2019

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

Sats: Bjørn PicardLayout: Bjørn Picard

Materialet i denne publikasjonen er omfattet av åndsverklovensbestemmelser.

Det er ikke tillatt å kopiere fra boka uten tillatelse fra PED TEC AS.

Hendvendelse om denne publikasjonen kan gjøres på e-post

pedtec@pedtec.no

eller på nettsiden

https://proteus.no

Simulering og fasit

PROTEUS er elektronisk DAK-verktøy som inneholder moduler for skjemategning, simulering (også mikro-kontrollere) og PCB Design (kortutlegg).

Flere av skjemaene fra eksemplene, øvingene og oppgavene i denne boka er lagt ut på nett, klar for simulering.

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

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.

Har ikke skolen / kursstedet PROTEUS, kan du laste ned en demoutgave og kjøre simuleringene.

https://proteus.no

i

PROTEUS

www.labcenter.com

O P P L Æ R I N GSKJEMATEGNING – ANIMASJON – SIMULERING

PROTEUS DESIGN SUITE2018-08-27

Ø V I N G E RSKJEMATEGNING – ANIMASJON – SIMULERING

PROTEUS DESIGN SUITE

www.labcenter.com

2018-08-19

PROTEUS «OPPLÆRING»

og

PROTEUS «ØVINGER»

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

15 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

LIKESTRØMKRETSER 9

Figur 1.8 Symbolet for en resistor

Figur 1.9 I USA blir dette symbolet brukt for resistorer

Ohms lovDet er ganske innlysende at for eksempel lengden på gløde-tråden avgjør hvor stor strøm som går gjennom lampen. Andre faktorer som påvirker størrelsen på strømmen, er materialet glødetråden er laget av, og størrelsen på spen-ningen.

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.

Eksempler på resistanser er kokeplater, varmeelementer, glø-delamper 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 strøm-men når spenningen er gitt. Han beviste også at når vi har en bestemt resistans og øker spenningen, øker også strømmen.

Resistansen blir målt i ohm (Ω), og i elektrisitetslæra har re sis tansen 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

IU

R=

I = strømmen i ampere (A)U = spenningen i volt (V)R = resistansen i ohm (Ω)

U

I

R

Ohms lov

IUR

U I R

RUI

=

= ⋅

=

eller

eller

2 RESISTORER 19

U = 9 V

UR = 2,7 V

R = 27 Ω

UL = 6,3 V

I = 0,1 A 0,1 A / 6,3 V

Figur 2.2 Effektresistorer

Skjemasymboler for resistorer. Til venstre: IEC-symbolet. Til høyre: Symbol som brukes blant annet i USA og Japan

Figur 2.1 Forskjellige typer resistorer

Figur 2.3 Resistoren som strømbegrenser og spenningsdeler

Iblant dekker en resistor begge funksjonene samtidig. Se figur 2.2.

Noen av komponentene vi bruker i elektronikken, trenger ikke egen driftsspenning for å fungere. Vi kaller dem passive ko m ponenter. Eksempler på slike komponenter er resistorer (mot stander), spoler og kondensatorer. I læreplanen står det at du skal kunne måle ulike komponenter og forklare opp-bygning og bruksområder for de passive komponentene som blir brukt i elekt roniske apparater.

Det fins mange typer motstander, og resistoren er den vanligste. Den er så vanlig at den ofte blir kalt motstand. Lenger ute i boka får du stifte bekjentskap med andre typer motstander, for ek sempel lyspæren.

I dette kapitlet lærer du hva de forskjellige typene resistorer heter, og hvordan de er merket etter størrelsen på resistansen. Til slutt lærer du hvordan du skal montere en resistor på et kretskort.

Ulike typer resistorerResistorer blir brukt som

• strømbegrensere• spenningsdelere

resistor resistorstrømbegrenser current limiterspenningsdeler voltage dividereffekt powerlineær linearikke-lineær non-linearlineær resistor linear resistor

Norsk / EngelskNorsk / engelskNorsk / Engelsk

SMD – Surface Mounted DeviceOverflatemontert (forstørret ca. 10 ggr)

32 3 SERIEKOPLING

EKSEMPEL 3.3

På skjemaet er R1 = 47 Ω, R

2 = 56 Ω og R

3 = 82 Ω. Beregn

totalresistansen, det vil si verdien på den resistoren som kan erstatte de tre seriekoplede resistorene (R

tot).

Rtot

= 47 Ω + 56 Ω + 82 Ω = 185 Ω. En resistor på 185 Ω trekker med andre ord like mye strøm fra spenningskilden som de tre seriekoplede resistorene.

Effektutviklingen i en seriekrets

Effektutviklingen i alle komponentene som inngår i en serie-krets, får vi ved å multiplisere U

tot med I. Men fordi U

tot er lik

den tilførte spenningen U, kan vi like gjerne skrive P = U · I. Effektutviklingen i hver av komponentene som inngår i kretsen, får vi ved å multiplisere spenningsfallet over den aktuelle komponenten med I.

EKSEMPEL 3.4

Beregn den totale effektutviklingen i kretsen i eksemplet ovenfor. Spenningen U = 12 V.

Først beregner vi strømmen:

I

U

R= = =

tot

A A = 65 mA12

1850 065,

Deretter regner vi ut effekten:

P = U · I = 12 · 0,065 = 0,78 W.

Svar: Den totale effekten er 0,78 W

P P P P

I R R R

tot R1 R2 R3

W

0,004225

= + + =

⋅ + +( ) =

⋅ + +( ) =

21 2 3

20 065 47 56 82,

⋅⋅185 W = 0,78 W

R1 = 47 Ω

R2 = 56 Ω

R3 = 82 Ω

Rtot = 47 Ω + 56 Ω + 82 Ω= 185 Ω

U

I

Figur 3.7

Les mer i kapittel 6 Effekt.

3 SERIEKOPLING 33

B112V

SW1

SW-SPST+88.8

mA

I

R140

R280

+88.8Volts

UR1

+88.8Volts

UR2

+88.8Volts

UR1 + UR2

OPPGAVE 3.1

• Beregn strømmen I og spenningsfallene over resistorene U

R1 og U

R2 og når bryteren SW1 lukkes.

• Beregn også UR1

+ UR2

Før beregningene inn i raden «Beregnet» i tabellen under.

Sammendrag• I en seriekrets er strømmen like stor gjennom alle

komponenter som inngår i kretsen.

• Summen av spenningsfallene i en seriekrets er lik den tilførte spenningen: Utot = UR1 + UR2 + UR3 + ... + Un

• Den totale resistansen i en seriekrets er lik sum-men av resistansene til alle resistorer som inngår i kretsen: Rtot = R1 + R2 + R3 + ... + Rn

I UR1 UR2 UR1 + R2

Beregnet

Simulering med PROTEUS

46 5 PARALLELLKOPLING

Oppgave 5.1

• Beregn strømmer og spenninger når bryteren SW1 lukkes og før resultatene inn i raden «Beregnet» i tabellen.

I UR1 = UR2 UR3 = UR4 IR1 IR2 IR3 IR4

Beregnet 50,4 3,36 8,64 33,6 50,4 28,8 21,6

Oppgave 5.2

Beregn motstandsverdien på R4 for at spenningen mellom A

og B skal bli 0,0 V.

Tips:

Strømmen IR2

gjennom R2 er den samme som gjennom

R1.

Strømmen IR3

gjennom R3 er den samme som gjennom

R4.

Beregn først spenningene over R2 og R

4.

For at voltmeteret skal vise 0,0 V, må spenningen over R4

være lik spenningen over R2.

I3 · R

4 = U

R4

Svar:

R4 =

Elektroteknikk

File:

By:Date:

Oppgave_5-1.pdsprj09.08.2019B. Picard

www.pedtec.no

U

12V

SW1

SW-SPST mA+50.4

I

R1100

R2200

R3300

R4400

Volts+3.36 UR1 = UR2

Volts+8.64 UR3 = UR4

R1330

R31k

R22k2

R4?

Itotal

U =10 V

AIR1 IR3

UR1 UR3

UR2 UR4

A BV– +

i

IU

R

R R R R R

R RR R

R R

R RR

=

= +

=⋅+

=

total

total ( / / ) ( / / )

/ /

/ /

1 2 3 4

1 21 2

1 2

3 433 4

3 4

1 2

3 4

1

⋅+

= = ⋅

= = ⋅

=

RR R

U U I R R

U U I R R

IUR

I

R1 R2

R3 R4

R1R1

R2

( / / )( / / )

==

= =

UR

IUR

IUR

R2

R3R3

R4R4

2

3 4

Simulering med PROTEUS

56 6 EFFEKT

OppgaverOppgave 6.1

Beregn spenningsfallet og effektomsetningen i hver av kom-ponentene i koplingen.

Beregn også totaleffekten.

U1 U2 U3 PR1 PR2 PR3 Ptotal

Oppgave 6.2

Beregn strømmer, spenningsfall og effektomsetning i hver av komponentene. Beregn også totaleffekten.

I I1 I2 UR1= UR2 PR1 PR2 Ptotal

6 Ω

U2U

2 A

7 Ω

U1

U3

5 ΩR1 =

R2 =

R3 =

I

I

I2

R1 =

6 ΩR2 = 3 Ω

I1

U = 12 V

UR1

UR2

Digitalteknikk

File:

By:Date:

oppgave_6-1.pdsprj08.08.2019@ AUTHOR

www.pedtec.no

R15R

R27R

R36R

2A

Volts+10.00 U1

Volts+14.0 U2

Volts+12.0 U3

W+7

2.0

P_TOTAL

Simulering med PROTEUS

7 VEKSELSTRØM 63

EKSEMPEL 7.1

I vegguttaket er den normerte spenningen U = 230 V. Hva blir toppspenningen?

û = U · 2 û = 230 · 1,414 = 325 V.

Svar: û = 325 V.

EKSEMPEL 7.2

Hvor stor er forskjellen mellom toppverdien og bunnverdien i eksemplet ovenfor?

Denne spenningsforskjellen kaller vi topp-til-bunn-spenningen.

Den har betegnelsen ut–b

.

Svar: ut–b

= 2 · 2· U = 2 · 1,414 · 230 = 650 V ! .

ViserenFor at vi lettere skal se hvordan sinusformen oppstår, tegner vi en viser. Lengden tilsvarer maksimumsverdien til den indu-serte spenningen. Vi lar viseren rotere og setter av den verti-kale projeksjonen på en vinkelskala der en omdreining (360°) viser spenningens størrelse på forskjellige tidspunkter.

Norsk / Engelsk

topp-til-bunn (ut-b

) peak to peak

Vær OBS på at komponenter ofte må dimensjoneres i forhold til spenningen ut-b!

!

û

u

Dreie-vinkel

ϕ

ϕ sin ϕ

Figur 7.6 Her kan du se hvorfor vi kaller det sinusformet vekselspenning. Spenningen u når magneten har dreid vinkelen ϕ, er lik û · sin ϕ, det vil si at u = û · sin ϕ

7 VEKSELSTRØM 65

Trefaset nettsystem – generell oppbygning og funksjonTrefaset vekselspenning

Et system av trefaset vekselspenning består i utgangspunktet av tre like atskilte enfasesystemer som er faseforskjøvet 120° (elekt riske grader) i forhold til hverandre. Lar vi et polpar rotere som figur 7.9 viser, vil det i hver spole eller fase bli indusert en like stor spenning med lik frekvens. Frekvensen er proporsjonal med antall polpar og omdreiningshastigheten:

f

P n=

⋅60

Tenker vi oss at vi måler de tre fasespenningene med et oscil-loskop, får vi et spenningsdiagram for alle de tre fasene som vist på figur 7.9. Her ser vi at øyeblikksverdiene for de tre fasene til enhver tid ligger faseforskjøvet 120° (det vil si 1/3 periode).

Figur 7.9 Framstilling av trefaset vek sel spen ning med ett polpar

De tre viklingene blir lagt i statoren med en avstand på 120 elekt riske grader. Endepunktet på hver vikling merker vi på følgende måte:

U1 og U2 for fase L1 V1 og V2 for fase L2 W1 og W2 for fase L3

Dersom nøytralpunktet er tilgjengelig, skal vi merke det med N.

S NS

N

120°120°

120°

V1

V2

U2

W1

W2U3

U1U1U2

n

t S NS

N

n

t

V Z1

V Z2

V Z3V1

V2W1W2

U2

U1

Bel

astn

ing

t

U2m

U1m

U3m

120

120

120

U1 U2 U3

1/3 periode120°

1/3 periode120°

1/3 periode120°

(90) (180) (270) (360)3 222

U

U1U2

V

W1W2

V

V1V2

V

S N

S NS

N

120°120°

120°

V1

V2

U2

W1

W2U3

U1U1U2

n

t S NS

N

n

t

V Z1

V Z2

V Z3V1

V2W1W2

U2

U1

Bel

astn

ing

t

U2m

U1m

U3m

120

120

120

U1 U2 U3

1/3 periode120°

1/3 periode120°

1/3 periode120°

(90) (180) (270) (360)3 222

U

U1U2

V

W1W2

V

V1V2

V

S N

S NS

N

120°120°

120°

V1

V2

U2

W1

W2U3

U1U1U2

n

t S NS

N

n

t

V Z1

V Z2

V Z3V1

V2W1W2

U2

U1

Bel

astn

ing

t

U2m

U1m

U3m

120

120

120

U1 U2 U3

1/3 periode120°

1/3 periode120°

1/3 periode120°

(90) (180) (270) (360)3 222

U

U1U2

V

W1W2

V

V1V2

V

S N

Les mer om trefase i kapittel 17 Fordelingssystemer.

S NS

N

120°120°

120°

V1

V2

U2

W1

W2U3

U1U1U2

n

t S NS

N

n

t

V Z1

V Z2

V Z3V2

V1W2W1

U2

U1

Bel

astn

ing

t

U2m

U1m

U3m

120

120

120

U1 U2 U3

1/3 periode120°

1/3 periode120°

1/3 periode120°

(90) (180) (270) (360)3 222

U

U1U2

V

W1W2

V

V1V2

V

S N

72 8 SPOLER

Resistive og induktive belastninger i vekselstrømkretserI likestrømkretser brukte vi ohms lov for å beregne resistan-ser, strømmer, spenninger og effekter.

I vekselstrømkretser er det ikke så enkelt. Spoler og konden-satorer gir faseforskyving og vi kan derfor ikke summere strømmer og spenninger direkte.

Figur 8.14

Eksempel 8.1

En ideell spole og en resistor er koplet som vist i figuren.

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

Vinkelen mellom strømmen I og U er faseforskyvnings-vinkelen for den aktuelle kretsen.

Spenning Spenning

StrømStrøm

U I

t t

U I Spenning

Strøm

t

U I

Resistiv lastStrøm og spenning i fase

Induktiv lastStrøm etter spenning

Kapasitiv lastStrøm foran spenning

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

Induktiv reaktansi

U = 5,0 V

2,0 A

UR = 4,0 V

UL = 3,0 V

U = 5,0

UR = 4,0 VI

UL = 3,0

ϕ

Spenningsdiagram

Impedansen i kretsen:

ZUI

= = 52

= 2,5 Ω

Resistansen i motstanden:

RUI

= = 42

= 2 R Ω

Reaktansen i spolen:

XUILL = =

32

= 1,5 Ω

9 KONDENSATORER 85

Eksempel 9.3

Reaktansen XC:

Strømmen I:

Avleste amplitudeverdier i grafen:

û = 14,1 V gir U = 10 V

ûR = 11,5 V gir U

R = 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°

Xf CC =

⋅ ⋅ ⋅=

⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅≈−

1

2

1

2 10 10 100 10160

3 9π π ( ) ( )Ω

Analog graf (mA)80706050403020100

-10-20-30-40-50-60-70

(V)1614121086420-2-4-6-8

-10-12-14-16

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

UIUR

T = 0,1 ms

ϕ

Uu

=ˆ

2fT

= 1

IU

Z

U

R X= =

+=

+= ≈

2 2 2 2

10

220 160

10

27237

C

mA

Xf CC =

⋅ ⋅ ⋅1

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

Kapasitiv reaktansi

Spenning Spenning

StrømStrøm

U I

t t

U I Spenning

Strøm

t

U I

Resistiv lastStrøm og spenning i fase

Induktiv lastStrøm etter spenning

Kapasitiv lastStrøm foran spenning

U = 10,0 Vf = 10 kHz

C = 100 nF

R = 220 Ω

U = 10,0 V

UR = 8,14 V

UC = 10,0 V

Z = 272 Ω

R = 220 Ω

XC = 160 Ω

Simulering med PROTEUS

96 10 HALVLEDERE

Toveislikeretter (helbølgelikeretter)

Enveislikeretteren brukes bare i enkelt utstyr der lav pris er viktig. I alle andre tilfeller blir begge halvperiodene av veksel-strømmen utnyttet, og vi får en toveislikeretter. Den største fordelen med en toveislikeretter er at kondensatoren lades opp dobbelt så ofte, slik at rippelspenningen blir halvert.

Det fins to måter å utnytte begge halvperiodene av veksel-strømmen på. Den ene måten, som var helt dominerende før det ble vanlig å bruke halvledere, er å ha en sekundærvikling med midtutttak på transformatoren. Midtuttaket blir jordet slik at spenningen på oversiden og undersiden av transforma-toren får motsatt retning. Se figur 10.16.

Figur 10.16 Toveislikeretting med to dioder og transformator med midtuttak

Når spenningen på oversiden er positiv, er spenningen på undersiden negativ. Likerettingen skjer da i D

1. I den andre

halvperioden er spenningen positiv på den nedre viklingen. Likerettingen skjer da i D

2.

Den store ulempen med denne koplingen er at sekundærsiden må ha to viklinger. Det gjør transformatoren større, tyngre og dyrere. Den andre måten finner vi i moderne elektronikk der det er viktig å holde pris, vekt og størrelse nede, og derfor er brokopling med fire dioder fullstendig dominerende i dag.

toveislikeretter full wave rectifier

Norsk / EngelskNorsk / engelskNorsk / Engelsk

D1

D2 +– C RBiut

uinn

50HzUCuS1

uS1

u s1u s2

0t

uC

U0

ubrt–b

D1 åpen D2 sperret

D1sperret D2 åpen

Rippelspenningens frekvens = 100 Hz

10 HALVLEDERE 97

Figur 10.17 Likeretting med graetzbro

+ +–

–

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.

GraetzbroenKoplingen 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.

Påskrifter på graetzbroen

B brolikeretter

40 maksimal spenning i effektivverdi (transformatorens se kun dær spenning må ikke overstige 40 volt)

C broen tåler den store opp ladningsstrømmen som oppstår når den koples til en konden sa tor (C)

5000/3300

maksimal belastningsstrøm i mA. Det første tallet, 5000, er høyeste tillatte strøm med kjøling (ofte limes komponenten fast til chassis), det andre, 3300, er den maksimale strømmen ved fri montering

Figur 10.19

+C RB-

+–

D1

D2D3

D4

S

F1

Uinn

URBUC

+

+

–+– C

D1

D2

D4

D3

IoppU inn

+

+

–+– C

D1

D2

D4

D3

IoppU inn

uC

t

UC

0

OBS! Kurven gjelder kun for ubelastet likeretter

Strømveier i positiv halvperiode

D1 og D3 åpenD2 og D4 sperret

D1 og D3 sperretD2 og D4 åpen

Strømveier i negativ halvperiode

Figur 10.18 Eksempel på graetzbro

138 11 GIVERE

Roterende impulsgivereRoterende 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 akselmon-tert 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 slisse-utførelse. 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

146 12 KONTAKTORER OG RELEER

Bokstavering og nummerering

Felles kontaktorer og releer for vekselstrøm

Releer og kontaktorer for vekselstrøm er merket med boksta-ven –K og –Q, med tall fra 1 og oppover. Spoletilkoplingene er merket med A1 og A2.

HovedkontaktenePå 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.

Skruetilkoplingene 2, 4 og 6 (T1, T2 og T3) går ut mot belast-ningen, i de fleste tilfellene via en overstrømsutløser, der de koples til overstrømsutløserens nummer 1, 3 og 5.

Termisk reléEt termisk relé blir også kalt en overstrømsutløser, overlastut-løser (O/L) eller bimetallutløser. Det termiske releet beskyt-ter 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 releerHjelpekontaktene 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

Releer har bare hjelpekontakter.

Figur 12.12 Relénummerering

1 53

2 64

13 21

14 22

A1

A2

Tre hovedkontakter,én arbeidskontakt og én hvilekontakt

1 53

2 64

13 4321

14 22

A1

A2 44

31

32

Tre hovedkontakter,to arbeidskontakter og to hvilekontakter

Figur 12.10 Kontaktornummerering

9795

98962 64

1 53

L1 L3L2

T1 T3T2

Reset Test

13 4321

14 22

A1

A2 44

31

32

OrdensnummerFunksjonsnummer

13 51

14 52 62

A1

A2

23

24

33

34

43

44

61 71

72 82

81

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

Det er fire hjelpekontakter, se ordens-nummerne 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.

Kommentarer til figur 12.12i

14 Reguleringsteknikk – en innføring

MålI dette kapittelet skal du lære om reguleringsteknikk og bli kjent med en del sentrale ord og uttrykk i dette emnet. Du får også noen synspunkter på hvilke fordeler og ulemper innfø-ring av ny teknologi fører med seg.

InnledningAlle automatiserte anlegg må ha en styring eller regulering som holder anlegget i drift. Det kan være små, enkle styringer som betjenes med én eller noen få brytere, eller det kan være store reguleringer som overvåkes av avanserte datamaskiner.

Styring og reguleringForskjellen mellom en styring og en regulering er forklart i kapittel 13 der måling, styring og regulering av en motors turtall er gjennomgått. Tegninger og øvelser i de foregående kapitlene dreide seg om styringer. I dette og de etterfølgende kapitlene tar vi for oss reguleringer.

Figurene 14.1 og 14.2 viser forskjellen mellom en styring og en regulering.

Figur A viser en motor med ventil som gir vann til en tank der forbruket varierer. Når vannstanden er ved den laveste nivå-føleren, starter pumpa, og ventilen åpnes. Pumpa fortsetter så å gå til vannstanden når den laveste nivåbryteren. Da får den stoppsignal, og ventilen stenges. Dette er en styring, ettersom den ikke har noen tilbakekopling.

Figur 14.2 viser en regulering. Her har vi en nivåføler (LT) som kontinuerlig måler vannstanden, og en ventil som med en motor (M) kan stilles inn på alle stillinger mellom stengt og åpent. Dessuten har vi en regulator (LIC) der vi kan stille inn ønsket nivå. Regulatoren sammenlikner vår innstilling med virkelig verdi og forsøker hele tiden å regulere nivået til ønsket verdi, uansett hvor stort forbruket er. Dette er altså en regulering med tilbakekopling av nivået.

Figur 14.1 Styring

Nivå-føler 2

Nivå-føler 1

M

Ventil

Motor

Styre-skap

Figur 14.2 Regulering

M

Ventil

Motor

LT

LIC

Nivåføler

180 15 ELEKTRISKE STYRESTRØMSKJEMAER

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

Eksempel med spenning påkoplet

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

–F6

13

14–S2

21

22–S1

–Q1 14

13

A1

A2–Q1

95

96–F4

–F1–F2–F3

2 64

1 53

L1

L3L2

1 53

2 64

3–M1

–F4

U1 V1 W1 PE

M

–F5

–F6

13

14–S2

21

22–S1

–Q114

13

A1

A2–Q1

95

96–F4

–F1–F2–F3

2 64

1 53

L1

L3L2

1 53

2 64

3–M1

–F4

U1 V1 W1 PE

M

LEDNINGSFØRING:

Linje(r) med spenningSpenningsløs linjeLinje med strøm

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

15 ELEKTRISKE STYRESTRØMSKJEMAER 181

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

Figur 15.13 Stopp ved hjelp av –S1

–F5

–F6

13

14–S2

21

22–S1

–Q1 14

13

A1

A2–Q1

95

96–F4

–F1–F2–F3

2 64

1 53

L1

L3L2

1 53

2 64

3–M1

–F4

U1 V1 W1 PE

M

–F5

–F6

13

14–S2

21

22–S1

–Q1 14

13

A1

A2–Q1

95

96–F4

–F1–F2–F3

2 64

1 53

L1

L3L2

1 53

2 64

3–M1

–F4

U1 V1 W1 PE

M

–S2–S2

LEDNINGSFØRING:

Linje(r) med spenningSpenningsløs linjeLinje med strøm

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

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 startknap-pen –S2, 13 og til holde-kontakten –Q1, 13. Det er ikke strømvei til –Q1 og vi er tilbake til bildet i figur 15.10.

–F5

–F6

13

14–S2

21

22–S1

–Q1 14

13

A1

A2–Q1

95

96–F4

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 programmerings-

enheten 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 stige-

diagrammer med kommentarer og referanselister.• Den enkelte fabrikant leverer standardmoduler. De mest brukte programmeringsspråkene kan deles inn i forskjellige grupper:• Stigediagram, reléskjema (strømløpsskjema) og kontakt-

plan• Instruksjonslister og logiske uttrykk (LOAD, AND, OR og

NOT)• Funksjonsplaner, logiske blokksymboler og digitale blokker

Prinsippet for en PLS

Figur 16.1 En typisk PLS

Innganger

Givereog

brytere

Utganger

Last

RUN-bryter

CPU/sentralenhet+–

230

V AC

Programmerings-enhet eller PC

218 17 FORDELINGSSYSTEMER – LAVSPENTE FORSYNINGSNETT

a) Spenningsdiagram og -trekant for fase og hovedspenninger:

Uf1 = Uf2 = Uf3 = Uf

U = 2 · U /2 = 2 · Uf · cos 30° U = Uf · 2 · 0,866 = Uf · 1,732 U = Uf · 3 Den geometriske summen av

spenningene er alltid lik nullb) Strømdiagram og strøm trekant for

fase og hovedstrømmer: I1 = If1, I2 = If2, I3 = If3

Symmetrisk likeartet belastning: R1 = R2 = R3

Den geometriske summen av strømmene er alltid lik null

Strøm- og spenningsforholdved stjernekopling

Stjernekopling uten tilgjengelig nøytralpunkt (N-leder)

Ved stjernekopling av belastningsobjekter i et IT-nett (nett uten tilgjengelig N-leder) kopler vi faseledningene til begyn-nelsespunktet av hver fasebelastning, mens vi kopler alle tre sluttpunktene sammen (i et stjernepunkt). Det kaller vi stjer-nekopling (se figur 17.14).

Vi kan sette opp spenningsdiagram og strømdiagram på samme måte som tidligere (strøm og spenning i forhold til hverandre, se figur 17.15). Av spenningsdiagrammet kommer det fram at hovedspenningen, U, er kvadratroten av tre større enn fasespenningen, det vil si at U = U

f · 3:

Av figur 17.14 og strømdiagrammet på figur 17.15 ser vi at fasestrømmen er lik hovedstrømmen før de enkelte tillederne (faselederne).

Figur 17.14 IT-nett uten tilgjengelig nøytralpunkt. Lasten er Y-koplet hos forbrukeren

Figur 17.15 a og b

U2U1

V1 V2

W2W1W1 W1

W2

UU

U2-3

U1-2

U1-3U

U1

U1

U2V1

V2

L1

L2

L3

I

I

I

ForbrukerKabel til forbrukerTransformatoreller generator

UfV UfW

UfU

Uf1= Uf2 = Uf3

60

60

120

120

30

30U

U3-1

Uf1

Uf3

Uf2

U2-3U1-2

120

120120

I2 = If2

I1 = If1

I3 = If3

I2I1

I3

a) b)

U2

U2

i

U = 2 · U/2 = 2 · Uf · cos 30° =

Uf · 2 · 0,866 = U

f · 1,732 = U

f · 3

U = Uf · 3

Uf = U / 3

I1 = I

f1, I

2 = I

f2, I

3 = I

f3

17 FORDELINGSSYSTEMER – LAVSPENTE FORSYNINGSNETT 219

Stjernekopling med tilgjengelig nøytralpunkt (N-leder)

Tilgjengelig nøytralpunkt bruker vi vanligvis i 230/400 V TN-nett. Belastningsobjekter blir koplet til normalt som vist på figurene 17.16 og 17.17. Det vil si at enfasebelastninger blir koplet til mellom faseleder og N-leder, mens trefasebe-lastninger blir kop let mellom faselederne.

Spenningsforholdene (fasespenninger og hovedspenninger) blir som vist på figur 17.15 a, og vi beregner dem på samme måte som vist foran.

Strømforholdene beregner vi også på samme måte som på figur 17.15b. Ved symmetrisk ensartet last vil summen av strømmene være null, og det vil ikke gå noen strøm i N-lede-ren. (Den geo met riske summen av strømmen i faselederne er null.)

Figur 17.16

U2U1

V1 V2

W2W1

N

W1 W1

N

W2

U

U

Uf

IN

U

U1

U1

U2V1

V2

L1

L2

L3

N

I

I

I

ForbrukerKabel tilforbruker

Transformatoreller generator

Uf

Uf

Generator eller transformatori Y-kopling med tilgjengelig N-leder

Belastningsobjekter koplet mellom fase-leder og N-leder

Figur 17.17

I2

IN

I1

I3

A 0 A

A 10 A Rf

A 10 A Rf

A 10 A RfL1

L2

L3

N

230/400 V UU

R R R

I I IUR

f

f1 f2 f3

f1 f2 f3f

f

V

VA

= = ≈

= = =

= = = = =

3400

3230

23

23023

10

Ω

Ω

U = Uf · 3

I1

= I2 = I

3

IN = 0 A

316 19 EKTRISKE MOTORER

Under forutsetning av at motoren er riktig montert, har lag- rene en levetid på mellom 25 000 og 80 000 timer, avhengig av blant annet belastning og motorstørrelse. Vær oppmerk-som på at det kan være forskjellige lagertyper på motorens N-side og D-side. Motorens D-side (drive) er den siden som akselen står på, og N-siden (non-drive) er den andre siden.

Motorfabrikantenes manualer gir nærmere opplysninger om hvilken type lager som anbefales, og hvor lang levetid lagrene har ved normal belastning.

Montering av motoren

Det er viktig å montere motoren riktig mekanisk slik at motor og arbeidsmaskin står riktig i forhold til hverandre, og slik at motoren ikke endrer seg under drift. Feil montering kan blant annet medføre at lagre blir slitt fortere enn ventet, og må skiftes.

Drenering

De fleste motorer er utstyrt med dreneringsskrue slik at en kan tappe ut fuktighet som kan samle seg i motoren på grunn av for eksempel kondens. Motorer kan også være utstyrt med et lite varmeelement som sørger for at de også holder seg tørre når de står stille.

Kraftoverføring

Motoren kan overføre sin mekaniske kraft til den maskinen den skal virke på, ved direkte kopling av akselen til maskinen eller indirekte kopling ved for eksempel hjelp av reimskiver. For å unngå unødig mekanisk slitasje er det viktig at kop- lingen mellom motor og maskin gjøres slik fabrikantene anbefaler.

Figur 19.8 Ulike prinsipper for overføring av mekanisk energi fra en elektrisk motor til en arbeidsmaskin

D-side(Drive)

N-side(None drive)

D-side og N-side

a) Reimoverføring

b) Tannhjuloverføring

c) Overføring med elastisk kopling

326 20 STARTMETODER

Etter innstilt tid i et tidsrelé (–K1), som du finner på figur 20.8, slår –Q3 ut, og –Q2 blir lagt inn. Dermed er motoren trekantkoplet. Det er viktig at –Q3 slår ut før –Q2 slår inn, så det ikke blir kortslutning i motorkretsen.

Legg merke til at det går to kabler ut til motoren, og at det er fasestrømmen som går gjennom kontaktorene og det termiske releet. Dermed kan kabler og kontaktorer dimensjoneres etter fasestrømmen, som er hovedstrømmen dividert med kvadrat-roten av 3. Det samme gjelder det termiske releet. Dette skal innstilles på fasestrømmen. Ved en slik kopling som vist påfiguren må vi altså ikke velge et termisk relé som er likt motorstrømmen, men ett som er motorstrømmen dividert med 3 .

Dersom vi bruker en effektbryter med elektromagnetisk og termisk utløsning, så blir den plassert der sikringene er på skjemaet, altså i hovedstrømmen. Innstillingen på den ter-miske utløsningen vil i et slikt tilfelle være på merkestrømmen (merkeskilt på motoren). Det samme gjelder dersom vi bruker en kompaktstarter.

Figur 20.8 Styrestrømskjema for en kontaktorstyrt stjerne-/trekantvender

A1

A2–Q3 –Q1

–F1

L1

L2

A1

A2

1

3

2–S1

4–S2

21

22–Q2

13

14–Q3

13

14

13

14–Q1

15

16

–F2

95

96

–Q2–Q3

43

44

–Q2

31

32

–Q3

31

32

–Q1

21

22

X1

X2–P1

X1

X2–P2

X1

X2–P3

3 4

1 2

A1

A2

–K1

–K1

A1

A2–Q2

21

22–Q3

4 5 6 7 8 9 10

Klar for start Starter Drift

U U

II

f

f

=

=3

Trekantkoplingi

UU

II

f

f

=

=

3

3

Stjernekoplingi

22 VERN 355

Termisk vernDet vanligste termiske vernet for motorer i forbindelse med kontaktorer er overstrømsreleet. Vernet skal kunne bryte enhver overstrøm opp til og med den forventede kortslut-ningsstrømmen på stedet der vernet er installert, slik at kretsens ledere ikke fører strøm av en størrelse som fører til en temperaturstigning som kan være skadelig for isolasjon, skjøter, avslutninger eller lederens omgivelser.

Overstrømsreleet skal beskytte motorer, kabler og ledninger mot skader på grunn av

• overbelastning• fasebortfall• startefeil

HovedstrømløpetBimetallet er fast oppspent og består i prinsippet av to tynne sammenvalsede plater med forskjellig utvidelseskoeffisient i lengderetningen. Rundt disse platene er det viklet en mot-stand som ligger i serie med motorviklingene. I en trefaset motor går motorstrømmen gjennom tre bimetaller. Det vil si at det er ett termisk relé i hver isolert fase (pol), slik forskrif-tene krever. Strømmen som går gjennom motstandene rundt bimetallet, utvikler varme. Varmen fører til at bimetallet bøyer seg på grunn av lengdeutvidingen.

Styrestrømløpet til signalkontaktenStyrekontaktene skifter stilling ved innstilt koplingspunkt. Bimetallet er mekanisk forbundet med styrekontakter som er merket med 95-96 og 97-98. Styrekontaktene koples inn i styrestrømkretsen. Dersom vi har valgt riktig relé og stilt det inn riktig, skal normalt motstandene til bimetallet til enhver tid være like hele. Det er bare styrekontaktene som skal endre stilling ved overstrøm.

Termisk vern med sperreEt termisk vern med sperre vil føre til at styrekontaktene blir liggende i overstrømsstilling etter en overbelastning siden en mekanisk sperre holder dem igjen i denne stillingen; det gjelder også etter at bimetallet er nedkjølt. Dermed kan vi få en lysindikering på at utkoplingen har skjedd på grunn av overbelastning. Tilbakestilling må skje manuelt med tilbake-stillingsknappen på det termiske vernet.

a) Prinsipp for et termisk relé

b) Termisk relé med sperre og testtrykknapp

c) Termisk relé, symbol i hovedstrømkrets

d) Termisk vern uten sperre, symbol i styrestrømkrets

e) Termisk vern med sperre, symbol i styrestrømkrets

Figur 22.3 (a–e) Termiske vern

2 64

1 53

9795

98962 64

1 53

L1 L3L2

T1 T3T2

Reset Test

–F95

9896

95

96–F

95

96

97

981

Hoved-strøm

2

24 TILLEGG 375

Logiske grunnkoplingerEn 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.

Logiske grunnkoplinger

eller

AB

Q1≥

1

AB

Q

AB

QAB

A

Q

Q

AB

Q&

AB

QAB

Q&

A Q

AB

Q1≥AB

QAB

Q

AB

Q1=AB

QAB

Q

AB

Q1=AB

QAB

Q

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

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

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

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

A Q 0 1 1 0

S1

S2

P1

S1

P1

S1 S2

P1

S1 S2

S1 P1

K1 K1

S1

S2

P1

K1

K1

K1

P1

K1

S1

S1

P1

S2

P1

S2

ANDOG

IEC symbolKrets ANSI symbol Sannhetstabell Logisk uttrykk Ekvivalentskjema

ORELLER

NOT (INVERTER)IKKE

NANDIKKE OG

NORIKKE ELLER

EXCLUSIVE OR (X-OR)Ulikhetsdetektor

EXCLUSIVE NOR (X-NOR)Likhetsdetektor

A

B

Q

A

B

Q

7408

7432

7404

7400

7402

7486

74HC7266

376 24 TILLEGG

Tallfaktor Navn Betegnelse

1012 tera T

109 giga G

106 mega M

103 kilo k

102 hekto h

101 deka da

10–1 deci d

10–2 centi c

10–3 milli m

10–6 mikro µ10–9 nano n

10–12 piko p

10–15 femto f

10–18 atto a

Størrelser i ellæreNavn Symbol Enhet Betegnelse

Elektrisk energi W wattsekunder Ws

AElektrisk strøm I ampere

Ladning Q amperesekund AsElektrisk spenning U volt V

Kapasitans C farad F

Magnetisk fluks Φ weber Wb

Magnetisk flukstetthet B tesla T

Resistans R ohm Ω

Reaktans X ohm Ω

Induktans L henry

Impedans Z ohm Ω

Aktiv effekt P watt W

W

Reaktiv effekt Q voltampere-reaktiv var

Tilsynelatende effekt S voltampere VA

Resistivitet ρ ohmmeter Ωm

Ohms lov U R I RU

I= ⋅ =eller

Effekt P U I= ⋅Resistorer

Seiekopling R R R R Rerst n

n

= + + +1 2 3

Parallellkopling1

R

1

R+ ... +

Ledningsresistans Rl

A= ⋅ρ

Energi W P t= ⋅

Ladning Q C U I t= ⋅ = ⋅

Kapasitans CA

d= ⋅ ⋅ε ε0 r

Indusert ems e B v l= ⋅ ⋅

Induktans i spole L NI

LN A

l

= ⋅

= ⋅ ⋅

∆Φ∆

µ µ0 r

2

Vekselspenning u û= ⋅ sin ϕ

Frekvens fT

= 1

Effektivverdi Uû=2

Iî=2

Kapasitiv reaktans Xf Cc =

⋅ ⋅1

2πInduktiv reaktans X f LL = ⋅ ⋅2π

Impedans ZU

I=

Z X R= +2 2

Effektfaktoren cosϕ = P

S

TransformatorenN

N

U

U

I

I2

1

2

1

1

2

= =

Formler Prefiks