Elsystem, del 1 – Grunder

I den här artikeln kan du läsa om grunderna för elektriska system och begreppen likspänning och växelspänning.

För att artikeln inte skulle bli så omfattande har jag brutit ut de delar som handlar om

  1. Ohm’s lag
  2. Hur man använder en multimeter
  3. Fördjupad beskrivning av växelspänningsystem

Elektrisk polaritet

För att det ska kunna uppstå en elektrisk spänning och ström mellan två punkter måste den ena punkten ha ett överskott av positivt elektrisk laddade partiklar med högre elektrisk potential (elektrisk spänning) än den andra punkten.

Den punkt som har överskott av positivt laddade partiklar kallas för Plus-pol och den med ett underskott för Minus-pol.

Elektrisk spänning

Mellan polerna finns en elektrisk spänning som beror av de positiva laddningarnas elektriska potential. Hur en elektrisk potential uppstår ligger utanför de här artiklarnas område, så ni får helt enkelt acceptera det faktum att det finns en elektrisk potential och att den bestämmer vilken elektriska spänning som uppstår.

  • Spänning (U) mäts i enheten Volt (V)

I ett batteri har man skapat en sån här polaritet på kemisk väg. Plus-polen på ett batteri kallas även för Katod och minus-polen Anod. Det finns flera olika kemier för batterier och de vanligaste på båtar är de som baseras på bly-syra eller litium-järnfosfat (LiFePO4).

Ett batteri

Elektrisk ledare

En elektrisk ledare är något som leder elektrisk ström, i kablar används oftast metallen koppar. Det finns andra ämnen som också leder ström, ex.vis vatten.

Elektriskt motstånd

Alla elektriska ledare har ett elektriskt motstånd, resistans, som bromsar upp den elektriska strömmen. Detta gör att spänningen minskar längs ledaren. Hur mycket den minskar beror av resistansen och i avsnittet om Ohm’s lag kan du läsa om resistans.

  • Resistans (R) mäts i enheten Ohm (Ω)

Elektriskt överslag

Spänningen kan orsaka elektriskt överslag i luften (en blixt) som kan antända något. Det sker när två poler med olika polaritet kommer så nära varandra att elektronerna hoppar genom luften till den andra polen. I båten sker det här om du ex.vis kopplar bort en kabel från ena batteripolen när det går en ström genom kabeln. Det sker regelmässigt inne i strömbrytare när man tänder eller släcker en lampa. I torr luft krävs det ungefär 100V per mm luft mellan polerna för att luften ska börja leda ström och det ska bildas en blixt. Är luften fuktig kan det räcka med så lite som 10V per mm luft mellan polerna för att luften ska börja leda ström.

Elektrisk ström

En elektrisk ström består av positivt eller negativt laddade partiklar som rör sig genom en elektrisk ledare ansluten till plus- och minus-polerna av ett batteri eller generator.

  • Elektrisk ström (I) mäts i enheten Ampere (A)

Den elektriska spänning mellan polerna medför att skillnaden i postiva laddningar jämnas ut genom att elektroner som är negativt laddade rör sig från från minus till plus genom ledaren. Ju högre elektrisk spänning (potentiell energi) det är mellan polerna, ju större effekt kommer strömmen att kunna ha.

Den här transporten av elektroner från minus till plus gör att de positiva laddningarna minskar i plus-polen och man kan fortfarande (teoretiskt) betrakta strömmen som en förflyttning av positivt laddade partiklar åt motsatt håll.

Elektrisk ledare mellan polerna på ett batteri. R symboliserar ledarens eletriska motstånd

Strömmen (I) mäts i ampere (A). Hur stor strömmen blir beror av förbrukarens elektriska motstånd som benämns elektrisk resistans (R) och mäts i Ohm (Ω). I avsnittet om Ohm’s lag, kan du läsa om hur man kan räkna ut hur stor strömmen blir.

Alla kablar har en resistans som beror av kabelns längd och tjocklek. Det kräver att vi måste dimensionera kablar så att de klarar av att transportera den ström (ampere) en förbrukare kräver utan att skapa för stort spänningsfall (volt).

En 12V USB-laddare förbrukar omkring 0,1 A medan en 4 Hk stark bogpropeller tar 500A vid 12V likspäning och det är därför kablar till starka motorer behöver vara mycket grövre. Mer om detta i ett senare avsnitt om kabeldimensionering.

Överhettade kablar

Är kabeln för tunn får den högre motstånd (ohm) och vi förlorar spänning (volt) på vägen fram till förbrukaren som då kan få för låg spänning. Samma sak om det är dålig kontakt i en koppling, ex.vis vid batteriet, då ökar motståndet i den kopplingen. Om kabeln är mycket för tunn värms den upp fortare än den hinner kylas av och i förlängningen blir den då så het att isoleringen runt den börjar smälta och i värsta fall börjar det brinna i något närliggande som är mer lättantändligt än kabelisolering. Den kan även smälta isoleringen på en närliggande kabel och orsaka kortslutning eller andra konstiga fel i elsystemet.

Kom ihåg att det är strömstyrkan som orsakar uppvärmning i en kabel.

Seriekoppling och parallellkoppling

När man kopplar ihop elektriska komponenter kan de kopplas i serie (efter varandra) eller parallellt (bredvid varandra). se bilden nedan.

Det går även att koppla batterier i serie eller parallellt enligt bilden nedan. Vid parallellkoppling bibehålles spänningen. Vid seriekoppling adderas spänningen från varje seriekopplat batteri.

Analogi till elektricitet

För att beskriva vad elektrisk spänning och ström är för något brukar man jämföra det med vatten som rinner ner för ett vattenfall.

  • Elektrisk spänning motsvarar höjden på vattenfallet.
  • Elektrisk ström motsvarar mängden vatten som rinner över kanten varje sekund.
Vattenfallet 1ére Chute de Carbet på södra Guadeloupe

Om man fyller på vatten där uppe så får tyngdkraften vattnet att rinna över kanten. Ju högre vattenfall, ju högre lägesenergi (potentiell energi) har vattnet och resulterar i högre fart på vattnet när det kommer ner (det träffar vattenytan med större kraft, effekt).

Olika former av elektricitet

Likspänning 12V eller 24V

Likspänning innebär att den nominella spänningen i kabeln är konstant med konstant polaritet. Ombord på en båt innebär det 12V eller 24V. På engelska benämns likspänning Direct Current (DC).

Kablarna som är anslutna till plus-respektive minus-polen har alltid samma polaritet och samma nominella spänning (12V/24V respektive 0V).

Växelspänning 230V/400V 50Hz

Elsystem som har växelspänning 230V (RMS) och 50Hz innebär att spänningen i kabeln ändrar polaritet 50 ggr per sekund. På engelska benämns Växelspänning som Alternating Current (AC) och på svenska kan den också benämnas växelström. RMS (root mean square) är en matematisk formel för att räkna fram spänningens medelvärde under en svängning och det gör att man kan använda RMS-spänningen vid beräkning av resistans, ström och effekt som om det vore en likspänning.

Bilden nedan visar spänningsvariationen under två svängningar. Notera att RMS-värdet är konstant.

Spänningsvariation i ett växelspänningssytem med 230V RMS 50Hz

Vill du fördjupa dig lite till i de olika egenskaperna för växelspänning, kan du läsa mer i artikeln om system med växelspänning och vilka egenskaper de har.

Elektriska system

Inom ett elektriskt system där alla delar har elektrisk (metallisk) kontakt, kan det bara finnas en form av elektricitet och det måste även vara samma nominella spänning i hela systemet.

Överför vi det här kravet till en båt där det kan finnas utrustning som behöver likspänning 12V eller 24V och kanske även växelspänning 230V 50Hz eller som i USA 120V 60Hz, så förstår ni att elsystemet på en båt egentligen består av flera separata elektriska system som är sammankopplade på något sätt.

Energibalans

Ett annat krav som finns är att systemet i varje ögonblick måste kunna produceras exakt lika mycket el som förbrukas, d.v.s tillförd effekt måste vara lika med förbrukarnas effekt. Om det inte är så, förändras spänningsnivå.

Om tillförd effekt är för låg, sjunker spänningen i systemet tills den förbrukade effekten blir lika stor som tillförd effekt. Det här sambandet bestäms av effektformeln som ju säger att effekten som förbrukas minskar när spänningen minskar, läs mer om effektformeln i artikeln om Ohms lag. När spänningen blir för låg kan utrustning sluta fungera.

Om tillförd effekt är för hög, ökar spänningen i systemet till den förbrukade effekten är samma som tillförd. Det här sambandet bestäms också av effektformeln som ju säger att effekten som förbrukas ökar när spänningen ökar. Om detta inträffar finns risk att något går sönder.

Ett växelspänningssystem reagerar på samma sätt på obalans i producerad och förbrukad effekt när det gäller spänningsnivå.

Det är därför ett elektriskt system måste vara reglerat och hålla systemets nominella spänning- och frekvens inom vissa intervall.

%d bloggare gillar detta: