BASISELEKTRICITE IT

BASISELEKTRICITE IT

Deel II: Alternating current

Bundel voor 5BEI.

Samengesteld door F. Rubben

Basiselektriciteit: AC

Inleiding

 Elektriciteit is een aspect van de elektromagnetische kracht.

 De elektromagnetische kracht is één van de vier fundamentele krachten in de natuur.

 Elektrische grootheden:

o S……… ontstaat als er elektronen bewegen in een geleider.

 Vergelijkbaar met water in een buis.

o S……… is de mogelijkheid tot energie leveren.

 Vergelijkbaar met een vat water met een gesloten klep.

o De grootte van de stroom hangt af van de belasting of IMPEDANTIE:

 Energie verbruiken  R:………

 Energie omzetten naar magnetisme  L: ………

 Energie omzetten naar elektrisch veld  C: ………

Soorten spanningen

Overzicht soorten spanningen

Gelijkspanning of Wisselspanning

Er bestaat een verschil tussen AC en DC. Dit zijn afkortingen die uit het Engels komen:

o AC: A……… C………;

 vrij vertaald betekent dit: wisselstroom.

 In het geval van spanning spreekt men van wisselspanning.

 De spanning/stroom gaat DOOR het nulpunt.

o DC: D……… C………..;

 Vrij vertaald betekent dit: gelijkstroom

 Gelijkspanning gebruikt men wanneer het over spanning gaat.

 De gelijkspanning/gelijkstroom blijft volledig positief of volledig negatief.

Er is GEEN verandering van teken.

Periodieke spanning

 Spanning die zich herhaalt na een tijdje (= na een periode) is periodiek.

 De spanningsvorm kan zowel gelijkspanning of wisselspanning zijn.

Huishoudelijke Spanningen:

 De spanning die in een huis toekomt is meestal één van de onderstaande (België):

o 1 x ………

o 3 x ………

o 3 x ……… + N

 Deze spanningen zijn allemaal AC / DC. (Schrappen wat niet past)

 Spanningen die ook frequent voorkomen in een huis:

o Beltransformator: ………… V of ……….. V (AC / DC ) o Voeding voor spots:

 ……… V

 ……… V

 ……… V

o En nog veel meer (5Vdc bij USB, 9Vdc, …)

Wisselspanning uit het net

 Uit het stopcontact in een huis krijgt men 230Vac. De spanning is NIET constant!

 Er is in het begin van de elektrische (r)evolutie een grondige ‘elektriciteitsoorlog’

geweest. Twee grote fabrikanten van motoren en generatoren waren in een discussie verwikkeld wie er elektriciteit mocht maken en welke vorm die elektriciteit moest hebben.

o Er waren zowel DC- als AC-motoren.

o Er waren zowel DC- als AC-generatoren.

o Maar men kon de spanningen alleen economisch interessant omvormen bij de AC-technologie. Dit laatste argument was doorslaggevend bij de gecentraliseerde productie van elektriciteit. Hierdoor komt er uit het stopconact geen ………….

maar ………. .

 De spanning uit het stopcontact heeft een sinusvorm. Dit komt omdat de spanning wordt opgewekt in een wisselstroomgenerator (alternator).

Hoe wordt de spanning opgewekt in een generator:

- ……..………

- ……..………

- ………

- ……..………

- ……..………

- ………..…

- ………..……

- ………

Het roteren van een magneet:

TIP:

 Op de horizontale as is elke eenheid een aantal graden

 Op de verticale as wordt de stroom of spanning uitgetekend. Hier is elke eenheid een aantal ampère of een aantal volt.

Labo 001 – 004: sinussen tekenen

 Teken een sinusgolf (spanning) en benoem de volgende zaken:

o Frequentie o Piek-tot-piek o Amplitude o Periode

o Effectieve waarde

 Vraag:

o Wat meet een spanningsmeter (bij een multimeter)?

a) Gemiddelde waarde b) Amplitude

c) Effectieve waarde

 Vraag:

o De gemiddelde waarde en de effectieve waarde zijn gelijk bij een sinus.

a) WAAR b) NIET WAAR

Duidelijk aanwijsbare eigenschappen van de sinus:

 Periode T

o Uitgedrukt in seconden o Voorgesteld door de letter T

o De periode is de tijd die één cyclus doorloopt alvorens de cyclus opnieuw begint.

 De amplitude Û

o De maximale uitwijking van de sinus t.o.v. de nullijn, noemt men de amplitude.

o De amplitude wordt ook de piekwaarde genoemd.

o De amplitude wordt genoteerd met een ‘hoedje’ op: Û.

o Soms wordt de amplitude ook afgekort door Up; afkorting voor piekwaarde.

o Ook de maximale spanning is een synoniem: Umax.

 De piek-tot-piekwaarde Uptp

o De Uptp is de waarde die het verschil tussen het maximum en het minimum definieert.

o U_ptp=U_max−U_min

Afgeleide items bij de sinusspanning

 De frequentie f

o Het aantal keer dat een periodiek signaal zichzelf herhaalt in 1 seconde, wordt de frequentie genoemd.

o De eenheid van frequentie is Hertz, afgekort met Hz.

o Als men de periode kent, dan kan men de frequentie bepalen:

f =1 T

o Als er geen frequentie gegeven is bij oefeningen, dan veronderstelt men de netfrequentie; namelijk 50Hz.

 De gemiddelde waarde Ugem

o De oppervlakte tussen de nullijn en de sinus heeft een bepaalde grootte.

o Men berekent enkel het gemiddelde van positieve alternantie! Het gemiddelde per cyclus is immers gelijk aan 0!

o Het DC-signaal dat dezelfde oppervlakte omsluit noemt men de gemiddelde waarde.

U_gem=2 π .Û U_gem=0.637 Û

o Per interval neemt men een gemiddelde waarde.

 De gemiddelde waarde (hieronder) neemt evenveel oppervlakte in als de sinusgolf (hierboven).

 De effectieve waarde (Ueff = U)

o De meeste elektriciteitsmeters geven niet de amplitude weer wanneer de spanning gemeten wordt. De multimeters geven de effectieve waarde weer van de sinusgolf.

o De effectieve waarde wordt beschouwd als de grootte die een DC-spanning moet hebben om eenzelfde vermogen op te nemen als het AC-signaal.

o In het Engels noemt men de effectieve waarde RMS-waarde; waarbij de RMS een acroniem is voor ‘Root Mean Square’.

 Het verband tussen de effectieve waarde en de amplitude is bij een sinusgolf de volgende:

U_eff= Û

√

Oefeningen op de eigenschappen van een sinus

1. Bepaal alle kenmerken van de sinus uit de volgende grafiek:

o Amplitude o Effectieve waarde o Gemiddelde waarde o Piek-tot-piekwaarde o Periode

o Frequentie

2. Uit een meting haalt men de effectieve waarde (240V) en de frequentie (60Hz). Bepaal alle parameters van de sinusgolf.

 Amplitude

 Effectieve waarde

 Gemiddelde waarde

 Piek-tot-piekwaarde

 Periode

 Frequentie

3. Een nieuwe meting met de scoop geeft de volgende zaken: Umax = 140V bij 50Hz. Bepaal alle parameters.

 Amplitude

 Effectieve waarde

 Gemiddelde waarde

 Piek-tot-piekwaarde

 Periode

 Frequentie

4. Haal alle nodige parameters uit de onderstaande sinusgolf:

 Amplitude

 Effectieve waarde

 Gemiddelde waarde

 Piek-tot-piekwaarde

 Periode

 Frequentie

5. Idem als vraag 4:

 Amplitude

 Effectieve waarde

 Gemiddelde waarde

 Piek-tot-piekwaarde

 Periode

 Frequentie

6. Een multimeter meet in het stopcontact 230Vac en 50Hz. Hoe groot zijn alle eigenschappen?

o Tip: 2^De multimeter meet 230Vac; dit is de EFFECTIEVE waarde!!!

SINUSSEN:

Herhaling en samenvatting:

 Amplitude

 Afkorting:

 Synoniem? (2)

 Effectieve waarde

 Verhouding tussen Ueff en Û?

 Gemiddelde waarde

 Verband tussen Ugem en Û?

 Frequentie en periode

 Wat is de frequentie? Leg uit in eigen woorden.

 Wat is de periode? Leg uit in eigen woorden.

 Geef het verband tussen frequentie en periode.

Deel 2

Stroomvorm bij een sinusoïsdale spanning?

De stroomvorm bij de klassieke belastingen

 Als de spanning over een weerstand sinusvormig is, welke vorm heeft de stroom dan?

 ………

 Als de spanning over een condensator sinusvormig is, welke vorm heeft de stroom dan?

 ………

………

 Als de spanning over een spoel sinusvormig is, welke vorm heeft de stroom dan?

 ………

………

Stroom en spanning: in fase of niet?

- Afhankelijk van de belasting zal de stroom in fase zijn met de spanning. Dit wil zeggen dat sinussen van de stroom en van de spanning

o op hetzelfde moment beginnen,

o op hetzelfde moment hun maximum bereiken, o op hetzelfde moment hun minimum bereiken en o op hetzelfde moment terug eindigen.

Figuur 1: I en U in fase bij een weerstand (bron BIS)

- Bij een spoel en een condensator zijn de stroom en spanning NIET in fase. Tussen het begin van de stroom en het begin van de spanning zit er tijd tussen.

o Bij een spoel begint de stroom 90° ………...

 Men zegt dat de stroom ……….

 Dit wordt getoond door de figuur a/b hieronder. (schrappen wat niet past) o Bij een condensator begint de stroom 90° ………...

 Men zegt dat de stroom ………..

Wat is het probleem bij een faseverschuiving?

 Een faseverschuiving tussen de stroom en de spanning is niet erg.

 Bij het meten van vermogen is het wel van belang!!!

 Door een faseverschuiving tussen U en I is er namelijk een deel van het vermogen

‘verdwenen’. Onze teller ziet dit vermogen niet. Het niet zichtbare vermogen noemt men ‘blindvermogen’.

 Blindvermogen moet men (huishoudelijk) niet betalten.

 Industriële klanten moeten blindvermogen wél betalen. De kostprijs/boetes voor het blindvermogen zijn duurder dan voor actief vermogen.

Vermogen bij resistieve belasting (………): ALLEEN POSITIEF

Belasting: RESISTIEF-INDUCTIEF (b.v. motor): reactief én actief

vermogen!!!

Theorie over vermogen:

Enkelfasig net Driefasig net

S=U . I S=

√

P=U . I . cos φ=S . cos φ P=

√

√

√

√

Grootheid Afkorting

grootheid Eenheid Afkorting

grootheid U

I R P S Q

cos φ

sinussen.

 Vermogen is niet eenvoudig.

 Vermogen bestaat uit 3 componenten bij zuivere sinussen:

 Schijnbaa r vermogen

 Actief vermogen

 Reactief vermogen (blindvermogen)

 De kWh-teller (oude meters) meten alleen actief vermogen.

 De kWh-tellers zien géén reactief vermogen, daarom noemt dit blindvermogen.

 Spoelen (motoren, …) gebruiken niet alleen actief vermogen; maar ook blindvermogen.

 Transformatoren worden niet gekozen op basis van het aantal watt; maar op basis van het schijnbaar vermogen! Een transformator moet men kiezen op basis van het aantal VA!

 Een belangrijke indicatie voor het blindvermogen en actief vermogen is de cos φ .

 De hoek cos φ vertelt hoeveel graden de stroom naijlt of voorijlt.

 De cosinus van die hoek gebruikt men om het actief vermogen te bereken als men de spanning en stroom kent.

 Op motoren staat de cosinus vermeldt.