Reaktiv effekt
Reaktiv effekt
Reaktiv effekt
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
Elektriska och elektroniska<br />
fordonskomponenter<br />
Föreläsning 6<br />
Elektriska och elektroniska fordonskomponenter © Copyright 2007 Börje Norlin<br />
Växelström - komponenter<br />
• Växelström beskrivs enklast i komplex form<br />
– Kräver kännedom om komplex analys<br />
– Grund för signalteori<br />
C<br />
• Lösningsmetoder<br />
– Visardiagram<br />
– jω-metoden<br />
– Komplex <strong>effekt</strong><br />
– Anpassning<br />
Kapacitans<br />
(kondensator)<br />
Farad (F)<br />
L<br />
Induktans (spole)<br />
Henry (H)<br />
u 1 (t)<br />
Elektriska och elektroniska fordonskomponenter © Copyright 2007 Börje Norlin<br />
Z<br />
1<br />
Impendans<br />
komplex impendans i<br />
ohm (Ω)<br />
M<br />
u 2 (t)<br />
Transformator<br />
2<br />
1
Effekt och växelström<br />
• Förbrukningsmässigt är en motor<br />
för växelspänning samma sak som<br />
en spole och en resistor i serie<br />
– Spolen är själva lindningen och resistorn<br />
Uin är kabelns resistans<br />
R<br />
– En likspänningsmotor kan skrivas som en<br />
resistor<br />
• L = 320 mH, R = 2 Ω och f = 50 Hz<br />
– ω = 2πf = 314 rad/s<br />
– XL = ωL = 314⋅0,0032 = 1,0 Ω<br />
• Spänningen 230 V ger 10,3 A uppmätt ström<br />
• Lysrör kan beskrivas på samma sätt som motorn<br />
Elektriska och elektroniska fordonskomponenter © Copyright 2007 Börje Norlin<br />
I in<br />
MOTOR<br />
Växelströms<strong>effekt</strong> - Skenbar <strong>effekt</strong><br />
• Om vi bara mäter upp <strong>effekt</strong>ivvärdena<br />
Uin ≈ 230 V & Iin ≈ 10,3 A<br />
och beräknar <strong>effekt</strong>en med<br />
U·I så erhålls värdet<br />
2,36 kVA. Denna storhet<br />
Uin kallas ”skenbar <strong>effekt</strong>”.<br />
• Skenbar <strong>effekt</strong> betecknas<br />
S = U·I och mäts i voltampere (VA)<br />
• Är det den <strong>effekt</strong>en man får ut ur motorn?<br />
Elektriska och elektroniska fordonskomponenter © Copyright 2007 Börje Norlin<br />
I in<br />
L<br />
MOTOR<br />
L<br />
R<br />
3<br />
4<br />
2
Växelströms<strong>effekt</strong> - Aktiv <strong>effekt</strong><br />
• Kommer ni ihåg att P = U·I = R·I2 • Effekten genom resistansen<br />
blir R·I2 = 20·10,32 = 2,11 kW.<br />
Iin L<br />
• Den verkliga <strong>effekt</strong>en är alltså<br />
IR 0,25 kW lägre än 2,36 kVA som<br />
man mäter upp genom att mäta<br />
U och I med multimetern<br />
• Detta är den ”aktiva <strong>effekt</strong>en”<br />
Uin C R<br />
eller den <strong>effekt</strong> som verkligen erhålls i motorn<br />
– Effektfaktorn gånger skenbar <strong>effekt</strong> ger aktiv <strong>effekt</strong>, motorer brukar<br />
märkas med en <strong>effekt</strong>faktor (den skrivs cosϕ )<br />
Elektriska och elektroniska fordonskomponenter © Copyright 2007 Börje Norlin<br />
Växelströms<strong>effekt</strong> - <strong>Reaktiv</strong> <strong>effekt</strong><br />
• Vad händer med den del av <strong>effekt</strong>en som inte gör någon<br />
nytta i motorn<br />
• Den onyttiga <strong>effekt</strong>en kallas<br />
”reaktiv <strong>effekt</strong>”.<br />
• Den reaktiva <strong>effekt</strong>en<br />
pendlar mellan spolen<br />
och kondensatorn, den gör<br />
ingen nytta men den bidrar till<br />
att värma upp kablar och komponenter<br />
• <strong>Reaktiv</strong> <strong>effekt</strong> beräknas ur Q = XL ·I2 Iin L<br />
IR Uin C R<br />
och mäts i VAr<br />
(r står för reaktiv, inte revolutionär)<br />
Elektriska och elektroniska fordonskomponenter © Copyright 2007 Börje Norlin<br />
5<br />
6<br />
3
Växelströms<strong>effekt</strong> - Effekttriangel<br />
• Aktiv <strong>effekt</strong>, reaktiv <strong>effekt</strong><br />
och skenbar <strong>effekt</strong> hänger<br />
ihop som i en triangel<br />
• Motorer märks ofta med en <strong>effekt</strong>faktor<br />
• Den aktiva <strong>effekt</strong>en beräknas ur P = S·cosϕ<br />
där S är skenbar <strong>effekt</strong> och cosϕ är <strong>effekt</strong>faktorn<br />
– Man räknar sällan cosinus, men vill man rita triangeln så ges vinkeln<br />
av arc cos(”<strong>effekt</strong>faktorn”) eller cos-1 S<br />
Q<br />
ϕ<br />
P<br />
(”<strong>effekt</strong>faktorn”)<br />
– <strong>Reaktiv</strong> <strong>effekt</strong> går att beräkna som Q = S·sinϕ<br />
• För vårt motorexempel: cosϕ = P/S = 2110/2360 = 0,89<br />
(<strong>effekt</strong>faktorn har ingen enhet)<br />
Elektriska och elektroniska fordonskomponenter © Copyright 2007 Börje Norlin<br />
Växelströms<strong>effekt</strong> – Med kondensator<br />
• För en RCL-krets (kondensator och spole i serie) så<br />
motverkar kondensatorn och spolen varandra<br />
• Man får räkna fram Xtot = X L –X C<br />
• Om Xtot är negativ blir även Q negativ<br />
Elektriska och elektroniska fordonskomponenter © Copyright 2007 Börje Norlin<br />
7<br />
8<br />
4
• 12 V batteri<br />
1. One-piece cover<br />
2. Terminal-post cover<br />
3. Cell connector<br />
4. Terminal post<br />
5. Vent plugs underneath the cover plate<br />
6. Plate strap<br />
7. Case<br />
8. Bottom mounting rail<br />
9. Positive plates inserted into<br />
envelope-type separators<br />
10.Negative plates<br />
Batteri<br />
Elektriska och elektroniska fordonskomponenter © Copyright 2007 Börje Norlin<br />
Kemi urladdat batteri<br />
• Blyelektroder Pb stoppas ner i<br />
svavelsyra H 2 SO 4 (17%) och<br />
vatten H 2 O (83%)<br />
• Bly (positiva joner) löses upp i<br />
syran, blyelektroderna blir<br />
negativt laddade<br />
• Svavelsyran splittras i två<br />
vätejoner (H+) och en syrajon<br />
(SO 4 --)<br />
• Nu kan svavelsyran leda ström<br />
• Blysulfat (PbSO 4 ) bildas på<br />
elektrodernas yta<br />
Elektriska och elektroniska fordonskomponenter © Copyright 2007 Börje Norlin<br />
9<br />
10<br />
5
Kemi laddning av batteri<br />
• Batteriladdaren har högre<br />
spänning än batteriet<br />
– En ström tvingas in i plus-polen<br />
• En ström från (–) till (+) gör att<br />
elektroner flyttas från (+)<br />
anoden till (–) katoden<br />
• Katoden blir oladdad blymetall,<br />
joner SO 4 -- släpps lös<br />
• Anoden blir 4+ laddat bly,<br />
joner SO 4 -- släpps lös<br />
• En dum minnesregel<br />
Anod & plus stavas med lika<br />
många bokstäver.<br />
Elektriska och elektroniska fordonskomponenter © Copyright 2007 Börje Norlin<br />
Kemi uppladdat batteri<br />
• Laddningen skapar ”fräsch”<br />
svavelsyra i batteriet när SO 4 -jonerna<br />
bryter upp vattenmolekylerna<br />
• Syret som blir över reagerar<br />
med blyet i anoden och blir<br />
PbO 2<br />
• Andelen H 2 SO 2 i vätskan ökar<br />
och densiteten ρ ökar, fullt<br />
laddad är ρ ≈1,28 kg/l och<br />
svavelsyra utgör 37% av<br />
elektrolyt-vätskan<br />
Elektriska och elektroniska fordonskomponenter © Copyright 2007 Börje Norlin<br />
11<br />
12<br />
6
Uppladdat batteri<br />
• Blysulfatet på anoden har blivit blyperoxid PbO 2<br />
– Blyperoxid är brunt i stället för ljust blysulfat<br />
• Blysulfatet på katoden har blivit metalliskt bly<br />
– Bly är metallgrå i stället för ljust blysulfat<br />
• Spänningen och densiteten ökar inte trots att man<br />
laddar mer<br />
• Fortsatt laddning av ett full-laddat batteri<br />
– Vattnet bryts upp i syre vid anoden och väte vid katoden<br />
– Batteriet ”gasar”, knallgas kan bildas<br />
Elektriska och elektroniska fordonskomponenter © Copyright 2007 Börje Norlin<br />
Kemi urladdning av batteri<br />
• En ström från (+) till (–) driver<br />
lasten, elektroner flyttas från<br />
(–) katoden till (+) anoden<br />
• Inkommande elektroner bryter<br />
lös joner O 2 -- och anoden blir<br />
2+ laddat bly<br />
• Utgående elektroner lämnar 2+<br />
laddat bly i katoden<br />
• O 2 joner bryter upp svavelsyra<br />
och (SO 4 --) reagerar med både<br />
anoden och katoden<br />
– Både anod och katod beläggs<br />
med ljusfärgat blysulfat<br />
Elektriska och elektroniska fordonskomponenter © Copyright 2007 Börje Norlin<br />
13<br />
14<br />
7
Laboration<br />
• På kemi-labben kommer vi att studera<br />
korrisionsangrepp på några metaller när de doppas i<br />
elektrolytlösning<br />
Elektriska och elektroniska fordonskomponenter © Copyright 2007 Börje Norlin<br />
Battericeller<br />
• Sex seriekopplade Bly-Syra-celler ger 12 V<br />
– 3 celler ger 6 V och 12 celler ger 24 V<br />
Elektriska och elektroniska fordonskomponenter © Copyright 2007 Börje Norlin<br />
15<br />
16<br />
8
Batteriets inre resistans<br />
• Kom ihåg tvåpolen!<br />
– När man mäter polspänningen<br />
mäter man U O<br />
– Men när last R V kopplas in så<br />
minskar spänningen över<br />
polerna till U K<br />
• Ohms lag ger<br />
– I E = U 0 / (Ri + R V )<br />
• Spänningsförlust<br />
– Ui = I E ⋅Ri<br />
• Kirchhoffs 2:a lag ger<br />
– Uk = U 0 -I⋅Ri<br />
Elektriska och elektroniska fordonskomponenter © Copyright 2007 Börje Norlin<br />
Batteriets kapacitet (laddning Q)<br />
• Batteriets totala laddning beror på<br />
– Hur stor urladdningsströmmen är<br />
– Densiteten och temperaturen på<br />
syran<br />
– Urladdningsprocessen<br />
Kapaciteten ökar om man gör en paus<br />
under urladdningen<br />
– Batteriets ålder<br />
Material lossnar från plattorna<br />
– Om batteriet är stilla<br />
Omrörning av syran<br />
• Laddning kan mätas i Ah<br />
– Stort Coulomb-värde för bilbatterier<br />
– 1 Ah = 3600 As = 3600 C<br />
Elektriska och elektroniska fordonskomponenter © Copyright 2007 Börje Norlin<br />
17<br />
18<br />
9
• Vid låg urladdningsström kan<br />
kemi-processen penetrera<br />
djupt in i elektroderna<br />
• Vid hög urladdningsström<br />
beläggs elektrodernas yta<br />
snabbt med blysulfat och<br />
processen stannar<br />
Batteriets kapacitet<br />
Elektriska och elektroniska fordonskomponenter © Copyright 2007 Börje Norlin<br />
Batteriets kapacitet vid kyla<br />
• Vid kyla blir den elektrokemiska<br />
processen mindre<br />
<strong>effekt</strong>iv<br />
• 1a visar startmotorn varvtal för<br />
20% urladdat batteri, 1b<br />
samma kurva för kraftigt<br />
urladdat batteri<br />
– Varvtal i princip batteriets <strong>effekt</strong>,<br />
men beror på polspänningen och<br />
startmotorns och batteriets<br />
resistanser<br />
• 2 visar minsta varvtal som kan<br />
starta motorn (ökad friktion<br />
etc)<br />
– Man kan läsa ut lägsta temperator<br />
då motorn går att starta för de två<br />
laddningarna<br />
Elektriska och elektroniska fordonskomponenter © Copyright 2007 Börje Norlin<br />
19<br />
20<br />
10
Change language