Dictaat Elektro

Aanvulling elektrotechniek
Dictaat Elektrotechniek
Aanvulling op Polytechniek hoofdstuk 5
1.geleiders en isolatoren
In figuur 5.7b zien we een schema van een koperatoom. Zijn kern bestaat uit 29 positief
geladen protonen en 34 niet-geladen neutronen.
Daarbij draaien ook nog 29 elektronen rondom de kern.
Bij deze koperatomen kunnen sommige elektronen zich losmaken van het atoom, en een
plaats innemen in een open plaats in een nabijgelegen atoom.
Dit is dus stroom.
In een geleider bevinden zich vrije negatieve elektronen.
Deze elektronen gaan bewegen als we er een uitwendige elektrische spanning op zetten.
Geleiders die veel in de elektrotechniek worden toegepast, zijn:
— koper;
— aluminium.
De doorgang van een elektrische stroom door een geleider veroorzaakt een
aantal effecten. De belangrijkste zijn:
— warmte-ontwikkeling (gloeispiraal van een elektrische kachel, gloeilamp);
— scheikundige werking (accu);
— optische werking (tl-buis);
— elektro-magnetische werking (hefmagneet).
Stoffen die geen of weinig vrije elektronen bezitten en dus geen elektrische stroom doorlaten,
noemen we isolatoren. Enkele bekende isolatoren zijn:
— lucht;
— kunststoffen;
— droog hout;
— rubber;
— glas;
— keramische materialen.
ASG maart 08
pag.1 van 8
Aanvulling elektrotechniek
Onder bepaalde omstandigheden kan een isolator veranderen in een geleider. Als voorbeeld
noemen we lucht, die bij vonkoverslag (bougievonk, bliksem of lasboog) geleidend is.
Een zeer bijzondere groep zijn de zogenoemde halfgeleiders.
Enkele belangrijke halfgeleiders zijn:
— silicium;
— germanium.
Met een speciale technologie worden deze halfgeleiders geschikt gemaakt voor toepassing in
de elektronica en micro-elektronica.
2 Eénfase en driefasen stroom
Wanneer we elektriciteit als energietransporteur gebruiken, wordt mechanische energie van
een turbine overgedragen aan een generator (dynamo).
In een generator zijn drie spoelen onder een hoek van 120o rondom de draaiende magneet
opgesteld, zie figuur 5.15.
In alle spoelen worden gelijke sinusvormige spanningen opgewekt.
Omdat de drie spoelen onderling 120° verschoven liggen, zijn de drie spanningen niet
gelijktijdig nul of maximaal.
De drie spanningen zijn onderling namelijk ook 120° in fase verschoven.
Elke spoel levert een fasespanning aan het geheel.
We noemen een dergelijk systeem draaistroom.
De verbruiker kan 2 verschillende wisselstroomaansluitingen hebben.
Heeft hij slechts één fase tot zijn beschikking dan krijgt hij slechts stroom uit één spoel van de
generator.
De maximale spanning tussen de fase en de nul is 230 Volt.
Dit is de normale spanning voor huis- tuin- en keukengebruik.
Heeft hij echter drie fasen tot zijn beschikking dan is de maximale spanning tussen de fasen
onderling 400 Volt.
Is er ook nog een nulleiding bij, dan is het spanningsverschil tussen de fase en nul 230 Volt.
Een aansluiting met 3 fasen noemt men ook wel krachtstroom.
ASG maart 08
pag.2 van 8
Aanvulling elektrotechniek
Omdat 3 fasen tegelijk benut worden en de spanning ook hoger is kun je met krachtstroom bij
dezelfde stroomsterkte veel meer vermogen ontwikkelen dan bij éénfasestroom
3. hoog-, midden- en laagspanning
De verliezen tijdens het transport verlopen kwadratisch met de stroomsterkte, als de
weerstand van de transportleiding hetzelfde blijft.
Om de verliezen zo laag mogelijk te houden, wordt bij het transport gekozen voor een hoge
spanning bij een lage stroomsterkte.
De generatoren van een elektriciteitscentrale leveren stroom met een hoge spanning van
20 000 V. Deze wordt met drie dikke geleiderdraden naar een transformatorstation gevoerd.
In dit station wordt de spanning verhoogd van 20 000 V naar bijvoorbeeld 380 000 V.
Spanningen boven 100 000 V wordt hoogspanning genoemd.
Het hoogspannings-transportnet levert de elektrische energie af bij tussenstations.
Deze tussenstations staan in de buurt van steden en dorpen.
Daar wordt de spanning teruggebracht tot 10000 of 15000 V.
Spanningen tussen 1000 en 15000 V worden middenspanningen genoemd.
Hierna wordt de elektrische energie met een distributienet vervoerd naar de onderstations in
de wijken. Deze onderstations verlagen de spanning verder tot 400/230V de zogenaamde
laagspanning.
De elektrische energie wordt dan in een distributienet gebracht en via verdeelstations naar de
verbruiker vervoerd.
De laagspanning wordt nog eens ingedeeld in ongevaarlijke laagspanning, met een maximale
waarde van 42 V en de gevaarlijke laagspanning die ligt tussen 42 V en 500 V
.
4. Stuurstroom en relais
Bij een wisselspanning lager dan 50 V kunnen gevaarlijke stroomsterkten in het menselijk
lichaam niet meer ontstaan, zodat we vrij veilig kunnen werken.
Meestal worden spanningen van 24 V of 42 V toegepast.
Voor looplampen en klein handgereedschap passen we 42 V toe.
In de besturingstechniek gebruiken we vaak 24 V voor het aansturen van relais.
Een relais is een door een elektromagneet bediende schakelaar voor grotere vermogens, bijv.
voor het inschakelen van elektromotoren.
Zie figuur 4
figuur 4 werking relais
De aansturing van de elektromagneet gebeurt met een stuurstroom van 24 Volt via de
kontakten S1 en S2.
Het stuurstroomcircuit loopt via de bedieningsknoppen.
De hoofdstroom gaat van C naar NC als de stuurstroom uitgeschakeld is en van C naar NO
als de stuurstroom ingeschakeld is.
ASG maart 08
pag.3 van 8
Aanvulling elektrotechniek
5. smeltveiligheid en aardlekschakelaar
In figuur 7.8 zien we een geaard toestel.
Bij een foutverbinding tussen een fasedraad en de metalen omhulling loopt bij zo’n toestel de
stroom naar de aarde weg via de streeplijn.
De verbinding met de aarde gebeurt via een geleider (de geel-groene draad in de aansluiting).
Deze stroom moet dan zo groot zijn dat de smeltveiligheid of de installatie-automaat het
toestel snel afschakelt (populair gezegd: de stoppen gaan er door).
Dit betekent dat de weerstand van de aangegeven stroomkring klein moet zijn.
De weerstand kan echter ook groot zijn, bijv. als de foutverbinding een grote weerstand heeft
of als de verbinding met de aarde slecht functioneert.
Een grote weerstand betekent een lage stroom en in dat geval zal de stroom niet automatisch
uitgeschakeld worden door de smeltveiligheid of de installatie-automaat.
Een goede beveiliging krijgen we door een aardlekschakelaar. Zie figuur 7.9.
De schakelaar reageert met uitschakelen als de stroom in L1 en N genoeg verschilt. Normaal
is dat bij 30 mA, maar als het toestel geaard is, kunnen andere waarden voor
aardlekschakelaars voorkomen.
Als er een verschil optreedt, dan is een foutverbinding de oorzaak.
In figuur 7.9 loopt dan via de streeplijn een stroom.
Op een aardlekschakelaar is een testknopje aangebracht. Het bedienen van dit drukknopje laat
een verschilstroom lopen tussen L1 en N, waarop de schakelaar moet afschakelen.
De aardlekschakelaar moet niet verward worden met een smeltveiligheid of installatieautomaat.
ASG maart 08
pag.4 van 8
Aanvulling elektrotechniek
De aardlekschakelaar reageert niet op een te grote stroom, maar op een verschil in stroom
tussen de in- en uitgaande stroom door een toestel.
6. Dubbele isolatie
Een goede beveiliging krijgen we met een dubbele isolatie. Het elektrische toestel maken we
dan zo dat bij een defect we niet in aanraking kunnen komen met onder spanning staande
delen. Behalve de functionele isolatie brengen we ook een tweede isolatie aan door de
buitenkant van het toestel samen te stellen uit kunststof. Uitwendige metalen delen staan dan
niet in directe elektrische verbinding met het eigenlijke toestel.
Elektrisch handgereedschap voeren we vaak uit met dubbele isolatie.
Dergelijke toestellen zijn te herkennen aan het in figuur 7.7 getekende symbool en aan het
ontbreken van beschermingscontacten (randaarde) op de contactstop (stekker).
7. Thermische beveiliging
De elektromotoren op gereedschapswerktuigen moeten beveiligd worden tegen overbelasting
om te voorkomen dat de motor te heet wordt.
In een te hete motor kan het isolatiemateriaal smelten waardoor er inwendige kortsluitingen
kunnen ontstaan.
Een thermische beveiliging beveiligt een motor tegen overbelasting, m.a.w. beperkt de stroom
die een motor mag opnemen.
Wanneer een elektromotor thermisch uitvalt kan hij niet automatisch weer gaan draaien zodra
hij voldoende afgekoeld is.
Dit komt omdat de thermische beveiliging ook uitgerust is met een zgn. nullastbeveiliging.
Door de groene knop op de beveiligingsschakelaar in te drukken kan de voeding naar de
machine weer hersteld worden. Hierna kan met de machineschakelaar de motor weer
ingeschakeld worden.
8. Ster-driehoekinschakeling
In verband met de grote aanzetstromen van kooiankermotoren stellen de
elektriciteitsbedrijven ten aanzien van de wijze van aanzetten veelal bepaalde eisen.
Motoren beneden 1,5 â 4 kW, afhankelijk van de aansluitvoorwaarden, mogen veelal direkt
op het net worden geschakeld.
Boven de genoemde vermogens moeten de motoren aanloopapparatuur bezitten die de
aanloopstroom sterk verminderen.
De aanzetstroom kan beperkt worden door de spanning op de motoraansluitingen te verlagen;
dit heeft echter tot gevolg dat ook het aanzetkoppel sterk daalt (iets meer dan kwadratisch).
Er zijn verschillende methoden om tijdens het aanloopproces de spanning te verlagen.
De meest gebruikte methode is die van de ster-driehoekinschakeling.
ASG maart 08
pag.5 van 8
Aanvulling elektrotechniek
Bij het aanlopen wordt de statorwikkeling eerst in ster geschakeld zoals aangegeven in fig.
12.6. De spanning op een fasewikkeling bedraagt dan 230 V.
Is de motor aangelopen, dan wordt de statorwikkeling in driehoek geschakeld, zie fig. 12.8.
De spanning op een fasewikkeling wordt nu 400 V, waardoor de motor een groter koppel
ontwikkelt en verder op snelheid komt.
Met de ster-driehoekschakelaar wordt de aanzetstroom een factor 3 teruggebracht ten opzichte
van de zogenaamde directe inschakeling.
Het aanzetkoppel neemt eveneens met een factor 3 af.
Wanneer de ster-driehoekschakelaar in de ster-stand blijft staan wordt de motor
overbelast en kan verbranden.
Conclusie: de motor eerst in ster-stand op toeren laten komen en meteen daarna
doorschakelen naar driehoekstand.
9. Transformator
Soms is het nodig dat we de netspanning omzetten in een hogere of een lagere waarde.
In dat geval gebruiken we een transformator die de spanning van een bepaalde stroomkring
transformeert naar een andere spanning in een tweede stroomkring.
Vaak wordt een transformator ook wel kort trafo genoemd. Grote transformatoren gebruiken
we bij het transport van elektrische energie van de elektriciteitscentrale naar het
verbruikersnet.
In de meterkast in woonhuizen vinden we bijvoorbeeld een transformator om de spanning van
220 V om te zetten naar 12 V voor de deurbel.
De meest bekende is de lastrafo. De hoge netspanning van 230 of 400 V wordt hierin omgezet
naar spanningen van 20 tot 100 Volt, afhankelijk van het lasproces.
ASG maart 08
pag.6 van 8
Aanvulling elektrotechniek
De transformator bestaat in principe uit twee magnetisch gekoppelde wikkelingen. Zie figuur
7.2
De linker wikkeling is de primaire wikkeling (P), de rechter is de secundaire wikkeling (S).
De energie-overdacht gaat van de primaire wikkeling naar de secundaire wikkeling.De
transformator sluiten we primair aan op een wisselspanning. Hierdoor ontstaat een
wisselstroom die op zijn beurt een wisselend magnetisch veld in de transformatorkern
veroorzaakt. Dit wisselende veld veroorzaakt weer een wisselspanning in de secundaire
wikkeling. Een transformator kan dus nooit zonder meer op een gelijkspanning werken,
omdat er een veranderend magnetisch veld nodig is in de secundaire wikkeling.
Met een gelijkrichter kan de wisselstroom in de secundaire wikkeling omgezet worden in
gelijkstroom.
Het steeds wisselende magnetische veld veroorzaakt het brommende geluid dat een
transformator maakt.
10. Aggregaten
Bij werkzaamheden op de bouw worden vaak mobiele elektrische aggregaten gebruikt.
Hiermee kan elektriciteit worden opgewekt op de plaats van de werkzaamheden. Zo kan er
dan gebruik gemaakt worden van bijvoorbeeld verlichting, elektrisch handgereedschap,
lasapparaten etc.
De aandrijving is meestal door middel van een dieselmotor.
Omdat een aggregaat een elektriciteitscentrale, meterkast en elektrische centrale in één is
moet het apparaat ook alle veiligheidsvoorzieningen hebben die normaal ook voor de
elektrische installaties gelden.
Bij grotere vermogens dient het aggregaat ook voorzien te zijn van aardlekschakelaars met
een maximale aanspreekstroom van 30 mA.
Ten einde de aardlekbeveiliging goed te laten werken moet het aggregaat via de daarvoor
bestemde externe kabel worden geaard. Het niet aarden van het aggregaat kan leiden tot
onveilige situaties.
De elektrische onderdelen aan de buitenzijde van het aggregaat dienen minimaal een
beschermingsgraad van IP 23 (aanrakingsveilig, regenwaterdicht) te hebben.
Verder kunnen er nog eisen worden gesteld aan de geluiddemping van een aggregaat.
ASG maart 08
pag.7 van 8
Aanvulling elektrotechniek
Vragen en opdrachten.
1. Aan welke 2 eisen moet worden voldaan om een elektrische stroom door een draad te laten
vloeien ?
2. Een krachtstroomstekker kan 4- of 5-polig zijn.
Welke pool maakt hierbij het verschil ?
3. Waar ligt de grens tussen gevaarlijke en ongevaarlijke laagspanning?
4. Wat is een stuurstroom en hoe hoog is meestal de spanning van die stroom?
5. In de meterkast bevinden zich een installatie-automaat (zekering ) en een
aardlekschakelaar.
Welk van beide schakelt de stroom uit bij kortsluiting tussen de fase en nul?
Verklaar ook waarom.
6. Waarom zit er aan een elektrische handboormachine geen stekker met randaarde?
7. Maak een foto van een thermische beveiligingsschakelaar op bijv. een kolomboormachine.
8. Wat kan er gebeuren als een motor met een vermogen van 5 kW direct in driehoek wordt
geschakeld?
9. Waarom kan een transformator alleen maar op wisselstroom werken?
10. Als je op marktplaats zoekt naar een aggregaat, dan staat er bij de gegevens bijv:
4,5 kVA.
Wat kun je hiermee?
ASG maart 08
pag.8 van 8