Växelström

Växelström

I kommande kapitel ges en bred introduktion till de olika starkströmskomponenter som finns runt om oss i vardagen. Kapitlet riktar sig till dig som har goda förkunskaper och vill repetera, men även till dig som vill ha en djupare inblick och bredare förståelse. Vi kommer att gå igenom begrepp som säkerhet, fas, trefas, nolledare, skyddsledare, grupp, jordfelsbrytare och mycket mer.

Växelström

Elsäkerhet

Syftet med elsäkerhetsregler är säkra installationer och apparater för att skydda människor, husdjur och egendom. Vid spänningar under 50 V anses risken för en farlig elstöt mycket låg. Däremot kan en elstöt från det vanliga 230 V-elnätet vara dödlig. Nätströmmen som levereras har förutom hög spänning dessutom växlande polaritet (50 Hz). Detta gör att det finns en uppenbar risk att fastna vid beröring (orsak till muskel­kramp). Det är dock inte spänningen som är farlig. Alla har säkerligen fått en obehaglig stöt som orsakats av statisk elektricitet. Den typen av stötar orsakas av mycket hög spänning (V) med en mycket låg ström (A). Det som är farligt är strömmen.

Hur farlig är strömmen?

Sambandet mellan spänning, ström och resistans är att ju högre resistans, desto högre spänning krävs det för att leda igenom ström. Hur mycket ström människokroppen leder beror på flera olika faktorer: hur hög spänningen är, hur stor del av kroppen som blir utsatt, hur fuktig huden är, hur strömmen passerar genom kroppen samt om det är lik- eller växelström. Hur farlig strömmen är beror också på hur länge kroppen utsätts för den.

  • 1 mA kan kännas i fingrarna.
  • 1-10 mA uppfattas som mycket obehagligt men är ofarligt.
  • Vid 10 mA och däröver får man muskelkramper.
  • Redan vid 15 till 20 mA kan man inte släppa greppet.
  • Från 30 mA ökar blodtrycket och hjärtat börjar slå oregelbundet (det är här jordfelsbrytaren stänger av strömmen).
  • Över 30 mA i 0,5-1 sekund kan vara dödande.

Vad gör man vid en elolycka?

Försök att bryta strömmen om du ser en person som råkat ut för en elolycka och får ström i sig. Om detta inte är möjligt, dra i den skadades kläder eller använd ett icke ledande föremål för att lösgöra personen. Berör inte bar hud på den skadade om personen sitter fast. Ge första hjälpen vid behov. Tillkalla hjälp, ring 112. Berätta för vårdpersonalen att det rör sig om en elolycka.

Antal elolyckor med dödlig utgång 2009-2017
Antal elolyckor med dödlig utgång 2009-20172

Inledande genomgång av växelspänning

Nätspänningen i Sverige är 230 V (enfas) och 400 V (trefas) växelspänning. Växel­spänningens frekvens anges i hertz (Hz) och anger hur många svängningar per sekund spänningen har.

Enfas växelspänning. Lägg märke till toppvärdet (325 V) och det effektiva värdet (230 V).

I Europa används frekvensen 50 Hz (50 perioder per sekund). Vid 50 Hz byter ­spänningen polaritet och strömmen riktning 100 gånger per sekund. Spänningen i svenska eluttag pendlar upp och ner från -325 V till +325 V. Att vi talar om 230 V beror på att det är spänningens effektivvärde eller RMS (förkortning från engelskans Root Mean Square).

Spänningen = Toppvärdet = 325 ≈ 230 V
√2 √2
Formel för beräkning av effektivvärde (RMS) vid enfas

Effektivvärdet av växelspänningen/strömmen är det värde som behövs för att utveckla samma effekt som vid en konstant likspänning/ström.

De tre faserna ligger förskjutna med 120° eller en 1/3 period i förhållande till varandra.

I ett trefassystem namnges de olika faserna L1, L2 och L3. Faserna ligger förskjutna med 120° eller 1/3 period i förhållande till varandra. Vissa apparater kräver rätt fasföljd, det vill säga att faserna ligger i ordning.

Så genereras växelspänning

För att bättre förstå hur en växelspänning uppkommer beskrivs här hur en enkel generator fungerar, se bilden nedan. När permanentmagneten roterar inducerar spolarna spänning. I och med att polariteten, och därmed riktningen på strömmen, byts varje halvvarv skapas en växelspänning. Hastigheten på magnetens rotation bestämmer frekvensen. Rotationshastighet på 3000 rpm (varv/min) = 50 varv / s = 50 Hz.

Steg 1, ingen ström flyter i kretsen. Steg 2, ström flyter i en riktning. Steg 3, återigen upphör strömmen. Steg 4, ström flyter igen men nu i den andra riktningen. Därmed  har en växelspänning skapats.

Följ sinuskurvan under hela rotationsvarvet. Jämför magnetens läge i respektive steg.

Beräkning i växelströmskretsar

Nedan finns exempel på beräkningar i växelströmskretsar.

Aktiv effekt (P)

Den aktiva effekten är den del av effekten som blir till nyttigt arbete i en apparat. Den aktiva effekten beräknas med formeln P = U ∙ I ∙ cos() (uttalas "cosinus fi" och förklaras nedan). Det är den aktiva effekten som elmätare mäter och abonnenterna betalar för.

Reaktiv effekt (Q)

Den reaktiva effekten är den effekt som tillförs från elnätet och inte blir till nyttigt arbete i en apparat. Den reaktiva effekten uppstår i induktiva och kapacitiva laster. Exempel på induktiva laster är motorer och lysrörsarmaturer. Användning av ­induktiva laster leder till en förskjutning mellan ström- och spänningskurvan.

Skenbar effekt (S)

Den skenbara effekten är den verkliga effekten som en apparat drar från elnätet. Den beräknas med formeln S = U ∙ I och har enheten VA (voltampere). Det går också att räkna fram den skenbara effekten utifrån den aktiva och reaktiva effekten. Då används formeln S = √(P2 + Q2).

 

Ström och spänning ligger i fas (resistiv last).
Strömmen ligger förskjuten med 40° (induktiv last).

Fasförskjutning (φ)

När ström- och spänningskurvan inte sammanfaller då effekten behövs, finns en fasförskjutning. Ju större förskjutningen är mellan ström och spänning, desto mindre nyttig effekt (aktiv effekt) går att få ut av en apparat. Fasförskjutning sker i alla induktiva laster (t.ex. motorer). Vinkeln på fasförskjutningen anges med den grekiska bokstaven φ. I en induktiv belastning ligger strömkurvan efter spänningskurvan. Vid en kapacitiv belastning ligger strömkurvan före spänningskurvan. Genom att montera en kondensator på en motor går det att motverka förskjutningen. Det kallas faskompensering.

Effektfaktorn (cos φ)

Effektfaktorn är förhållandet mellan aktiv effekt och skenbar effekt. Effektfaktorn uttrycks som vinkelfunktionen av vinkeln φ. Om spänning och ström ligger ur fas med 40° i förhållande till varandra blir φ = 40°. Om φ = 40° blir effektfaktorn cos(40°) ≈ 0,77. Det strävas alltid efter att effektfaktorn ska ligga så nära 1 som möjligt.

Resistiv belastning

I en resistiv apparat (t.ex. glödlampa, värmeplatta och värmeradiator) går det att räkna med att all tillförd effekt blir till arbete. En resistiv apparat ger en linjär belastning. När kurvan för spänning och ström ligger i fas med varandra (φ=0°), blir cos(φ) = 1 (effektfaktor = 1).

Beräkning av effektivvärde (RMS)

Vad blir effektivvärdet för 325 Vp-p (peak to peak) växelspänning?

U = Up-p
√2
Spänningen = Toppvärdet = 325 230 V
√2 √2

Beräkning av aktiv effekt, enfas

Vad blir den aktiva effekten hos en motor som märkts med effektfaktor cos(φ) = 0,87 och drar 7,6 A?

P = U • I • cos(φ)

P = 230 • 7,6 • 0,87 = 1521 W = 1,5 kW

Vad blir den aktiva effekten hos ett element (resistiv last) som drar 7,6 A? Cos(φ) hos resistiva laster = 1.

P = U • I • cos(φ)

P = 230 • 7,6 • 1 ≈ 1748 W ≈ 1,7 kW

Beräkning av ström, trefas

Hur mycket ström drar en trefas 9 kW-elpatron på respektive fas?

I = P = 9000 13 A
√(3) • U • cos(φ) √(3) • 400 • 1

Referenser

2 Elsäkerhetsverket (2018). Elolycksfallsrapporter. Publikationer 2008-2017. elsakerhetsverket.se/om-oss/vi-arbetar-med/utredningar-och-analyser/elolyckor/Elolycksfallsrapporter/

Senast ändrad: 2018-05-08