Elsystem, del 2 – Översikt

I den här och nästa 2 artiklar gör jag en beskrivning av ett elsystem avsett för en långfärdsutrustad nyare båt kring 40-60 fot med möjlighet att ansluta 12V, 24V och 230V utrustning.

Den här artikeln innehåller en översiktlig beskrivning av elsystemet med dess komponenter och faktorer som påverkar dess konstruktion.

Inledning

Elsystemet på en sån här segelbåt består av många elektriska komponenter som har olika funktioner. Exempel på dessa är batterier, batteriladdare, kontrollutrustning till bogpropeller, lampor, strömbrytare, navigationsinstrument, olika typer av elektriska säkringar m.m.

Har du ingen tidigare erfarenhet eller kunskap om elsystem kommer du att ställas inför en hel del nya begrepp, så ta god tid på dig att verkligen förstå funktionen hos de olika delarna och hur de kopplas samman.

I nästa artikel, del 3, kommer en mer detaljerad beskrivning av uppbyggnaden och funktionerna i respektive delsystem. Artikeln innehåller även lite om den faktiska uppbyggnaden av elsystemet med elcentraler och placering av utrustning i båten.

I del 4 går jag igenom hur en elritningen är uppbyggd med exempel på en elritning som omfattar vissa delar av de olika delsystemen beskrivna i den och nästa artikel.

Bilagor till denna artikel

Du kan läsa mer om kabeldimensionering i artikeln Elsystem, del 2 – Dimensionera kablar.

Förklaring av symboler och beskrivning av de elektriska komponenterna finns i artikeln Elsystem, del 2 – Elektriska komponenter

Behov av elektriska delsystem

Det finns några olika saker som påverkar vilka elektriska elektriska delsystem som behövs på båten. Nedan går jag igenom de viktigaste aspekterna och hur de påverkar vilka delsystem som behövs.

Vilken form av elektricitet förbrukarna behöver
Hur stor effekt en enskild förbrukare kräver eller en grupp av förbrukare som ska kunna vara igång samtidigt
Avstånd mellan producent och förbrukare av elektrisk energi
Hur tåligt elsystemet ska vara mot fel

1. Form av elektricitet

Det bara kan finnas en form av elektricitet i ett elektriskt delsystem. Eftersom båten har förbrukare som kräver olika form av elektricitet, 12V DC, 24V DC och 230V AC, behöver vi dela upp elsystemet i åtminstone tre elektriska delsystem, ett för varje form av elektricitet.

2. Effektförbrukning och effektbalans

I förra artikeln kunde du läsa om att en förbrukare behöver en viss mängd ström för att fungera bra. Ju större effekt ju mer ström går det åt (effektformeln).

En kabels tjocklek begränsar strömstyrkan så att det inte uppstår för stort spänningsfall eller överhettning av kabeln. Ju mer ström, ju grövre kabel behövs. Ju längre kabel, ju grövre behöver kabeln vara, se artikel om Dimensionera kablar.

Det måste också råda balans mellan tillförd och förbrukad ström i ett elektriskt delsystem. Om det finns ett batteri i delsystemet, fungerar det som en buffert som lagrar eller ger tillbaka energi.

Det här gör att man måste dimensionera tillförsel av ström så att delsystemet kan förse de förbrukare som är igång med den ström (effekt) de behöver. Summera effekten (P) hos alla förbrukare i delsystemet och räkna fram maximal ström (I) med effektformeln P = U * I, dvs I = P/U där U är nominell spänning i delsystemet.

Elverk

Om båtens alternativa energikällor (sol, vind och vatten) producerar mindre energi än det som behövs, kommer batterierna att leverera resten av energin och efter en tid behöver de laddas. För att slippa ladda med generatorn på huvudmotorn, kan man ha ett separat elverk som levererar energi till batteriladdning. På en båt med ett sånt här elsystem med uppåt 20 kWh batteribank, watermaker och varmvattenberedare behöver elverket vara på omkring 6 kW och genererar ungefär 25A 230V AC. Med den effekten kan man ladda en 24V batteribank med 100Ah per timme, samtidigt som man gör omkring 100 liter vatten och värmer 40 liter varmvatten.

I en kommande artikel om batterier planerar jag att skriva mer om dimensionering av batteribank, laddare, generatorer, elverk och generering från sol-, vind- och vatten.

Landström

För 230V AC gäller att strömmen inte får överskrida vad säkringen på bryggan tål. En bra landströmsanslutning har en säkring som är 16A vilket gör att ett delsystem för 230V AC kan ha förbrukare som tillsammans drar max 16A.

Den här båten har förukare som kan behöva mer än 16A, så därför finns det två delsystem för 230V AC. Varje delsystem ansluts till var sitt landströmsintag.

Batteri för 12V och 24V

För ett elsystem som ska drivas av ett batteri gäller att batteriet måste kunna leverera efterfrågad ström utan att spänningen sjunker under 12V respektive 24V under tiden som en stor förbrukaren är igång.

Om spänningen sjunker under 12V respektive 24V kan andra förbrukare sluta fungera, därför kan det finnas behov av att inte ha stora förbrukare i samma delsystem som spänningskänslig utrustning.

3. Avstånd mellan producent och förbrukare

Om avståndet mellan förbrukare och den komponent som tillhandahåller elektrisk energi är långt, behöver kablarna vara grövre för att inte orsaka för stort spänningsfall eller bli för upphettade. En grov kabel är dyrare och är svårare att installera då det krävs mer plats och särskilda installationsverktyg.

Detta kan man hantera genom att höja spänningen till 24V eller 48V, eller så bygger man ett separat delsystem med ett eget batteri nära förbrukaren.

Delsystemet 24V Bow är exempel på ett delsystem som finns för att skapa närhet mellan strömkälla (batteri) och förbrukare med stor effektförbrukning.

I artikeln Dimensionera kablar kan du läsa mer om hur man beräknar kablarnas tjocklek i olika delar av elsystemet.

4. Feltålighet

Genom att dela upp elsystemet i flera delsystem kan man bygga elsystem som tål fel bättre, ex.vis att ett batteri blir urladdat.

Delsystemet 12V Start är ett exempel på detta tänk. Man har ett särskilt batteri som bara används för att starta motorn och det gör inget om de andra batterierna skulle bli urladdade, det går ändå att starta motorn.

Översikt elektriska delsystem

Ovanstående behov gör att båten har sex olika delsystem enligt bilden nedan.

12V DC Start
Det här elsystemet används till startmotor, motorsensorer och motorinstrumentering. Det här delsystemet finns på alla båtar med en inombordsmotor.
12V DC Service
Det här elsystemet används för att driva utrustning som kräver 12V likspänning, ex.vis VHF, belysning, pumpar, navigationsutrustning. Det har större batterikapacitet än 12V DC Start och därmed kan det lagra mer energi. Det gör att batterierna kan leverera mer energi innan de behöver laddas.
24V DC Service
Det här elsystemet används för att driva utrustning som kräver 24V likspänning ex.vis belysning, pumpar, navigationsutrustning, inverter och sk. DC-DC konverters som kan ge energi till delsystemen för 12V Service och 24V Bow.
Ett viktigt motiv för att använda 24V DC är att strömstyrkan halveras och därmed halveras även kabelarean jämfört med ett elsystem som har 12V DC.
Om man har ett sånt här delsystem, är det här man brukar ha de flesta förbrukarna, och därmed den största batterikapaciteten.
24V DC Bow
Det här elsystemet används för att driva utrustning placerad i fören av båten och som har stor effekt (drar mycket ström när den används). Batteriet är placerat nära förbrukarna för att minska behovet av grova kablar från en batteribank akterut. I det här fallet är det bl.a en bogpropeller som drivs.
Utrustning som är känslig för spänningsfall placeras i 24V Service och påverkas inte av att bogpropellern används.
230V AC Service
Det här elsystemet finns för att driva utrustning som kräver 230V, ex.vis batteriladdare, tvättmaskin, mikrovågsugn, vattenkokare, elspis eller dator. Eftersom det är 1-fas system som kan hantera maximalt 16A finns begränsingar hur stor effekt förbrukarna kan ha. Har du läst förra artikeln kan du räkna ut att 16A motsvarar effekten P=16A*230V=3.6kW (effektformeln). Delsystemet består av 2 huvudkretsar där bara den ena kretsen får ström när invertern är igång.
230V AC Utility
Det här elsystemet är också ett system med 1-fas med maximalt 10A och finns för att driva utrustning som kräver ytterligare effekt än vad som kan levereras via 230V AC Service. I vårt fall hittar vi båtens Air Condition inkopplad här.

Elsystemets uppbyggnad

I det här avsnittet beskriver jag uppbyggnaden av elsystemet genom att stegvis lägga till funktioner till de olika elektriska delsystemen i följande sju steg

Utplacering av batterier
Utplacering av energikällor
Anslutning till elektrisk jord (jordning)
Utplacering av komponenter för överföring av el mellan olika delystem
Elektrisk sammankoppling av delsystemen
Utplacering av förbrukare med hög effekt
Utplacering av förbrukare med låg effekt

1. Batterier

Bilden nedan visar vilka delsystem som har batterier.

12V DC Start
Har ett 12V AGM batteri á 100Ah vilket motsvarar drygt 1 kWh energi.
12V DC Service
Har ett 12V LiFePo4 batteri á 200Ah vilket motsvarar knappt 2.5 kWh energi.
24V DC Service
Har fyra parallellkopplade LiFePo4 24V batterier á 200Ah, dvs kapaciteten är 800 Ah vilket motsvarar drygt 19 kWh energi. Det går att nyttja omkring 70% av energin innan batteribanken behöver laddas.
24V DC Bow
Två seriekopplade 12V AGM batterier á 150Ah vilket motsvarar ungefär 3.5 kWh energi.

Notera att båda delsystemen med 230V AC saknar batterier och måste därmed få elektricitet via inverter från ett annat delsystem, från elverk eller från landström för att förbrukarna i de delsystemen ska kunna användas.

Dimensionering av batterikapacitet återkommer jag till i en framtida artikel om Batterier.

2. Energikällor

Energin till det elektriska systemet kommer från landström, solpaneler, vind- och vattengeneratorer, en dieselgenerator och generatorer på huvudmotorn. Dieselgeneratorn och generatorerna på huvudmotorn omvandlar energin i dieselbränslet till elektricitet.

Den alstrade elen kan användas direkt av anslutna förbrukare och överskottet lagras i båtens batterier tills dessa är fulladdade. När det inte behövs energi ser regulatorn för var och en av producenterna till att energikällan inte skapar någon elektricitet även om till exempel motorn går eller solpanelerna belyses av solen.

På bilden nedan har jag lagt till båtens energikällor och utrustning för att ansluta landström till båtens elsystem.

12V DC Start
90A 12V generator på huvudmotor
24V DC Service
110A 24V generator på huvudmotor och 800W solpaneler.
230V AC Service
Dieselelverk 6kW, 230V AC
Landström upp till 16A 230V AC
En enhet (Power source) för val av källa för 230V AC (landström, inverter, elverk)
230V AC Utility
Landström upp till 10A 230V AC.

Notera att delsystemen 12V DC Service och 24V DC Bow saknar egna energikällor. Det innebär att dessa delsystem måste få energi till sina batterier från andra delsystem, se avsnitt Omvandling av elektricitet till annat delsystem.

3. Skyddsjord 230V och 0V i 12V/24V

Det finns några olika skolor kring hur 0V och skyddsjord ska kopplas i en båt.

I USA finns en regel som säger att man ska koppla ihop alla metalldelar under vattnet i ett invändigt s.k Bonding-system och ansluta det till en utvändig zink-anod för att på så sätt skydda metalldelarna från galvanisk korrosion. Bonding-systemet är i sin tur anslutet till 0V och skyddsjord.

För att förhindra korrosion när man är ansluten till landström, krävs att man använder en isolations-transformator. Användning av en s.k zink-saver på skyddsjorden ger inte tillräckligt skydd i alla situationer.

I Europa har vi ingen sån här regel vilket gjort att det finns flera olika sätt att hantera 0V och skyddsjord i en båt.

Eftersom den här segelbåten har ett elsystem som ska kunna vara anslutet till landström under lång tid, används nästan samma metod som i USA. Skillnaden är att bara de metalldelar under vattnet som har kontakt med 0V eller skyddsjord kopplas samman och ansluts till utvändig zinkanod och jordplatta. Mer om detta i en senare artikel om jordning.

Delsystemen för 12V DC och 24V DC har 0V (minus-polen) ansluten till en gemensam 0V-plint i båten.

Delsystemen för 230V AC har skyddsjord ansluten till den gemensamma 0V-plinten som i sin tur är ansluten till båtens utvändiga jordningsplatta och till en zinkanod.

4. Omvandling av elektricitet

Eftersom några delsystem saknar egen energikälla eller batteri, behöver det finnas elektriska kopplingar mellan delsystemen så att energi (elektricitet) i ett delsystem kan omvandlas och föras över till ett annat delsystem.

I den här bilden har jag lagt till de komponenter som används för att göra om energi i ett delsystem till rätt form av elektrictet för ett annat delsystem. Hit räknar jag laddare, konvertrar och inverter.

24V DC Service
Converter för 24V till 24V 30A som laddar bogbatteri
Converter för 24V till 12V 30A som laddar av batteri i 12V Service
Inverter 24V till 230V AC 16A som förser 230V Service med el
230V AC Service
En laddare (Charger) 12V 15A för batteri i 12V Start.
En laddare (Charger) 12V 35A för batteri i 12V Service.
En laddare (Charger) 24V 100A för batteri i 24V Service.

5. Sammankoppling av delsystem

Syftet med dessa kopplingar är att förse ett annat delsystem med elektricitet (energi).

Det gör att varje system inte behöver kunna generera eller lagra rätt typ av elektricitet till sina förbrukare. Det kan också öka elsystemets feltålighet genom att det går att få elektricitet från flera håll.

De röda linjerna mellan delsystemen visar vilka elektriska kopplingar som finns mellan delsystemen.

12V DC Start
Generator på huvudmotorn kan ladda batteriet i 12V Service via en batteriseparator
24V DC Service
Konverters som laddar batterierna i 12V DC Service och 24V DC Bow. Inverter är ansluten till 230V Service
24V DC Bow
Batteriet laddas av konverter i 24V DC
230V AC Service
Laddare är anslutna till 12V Start, 12V Service och 24V Service
Anslutning till 230V AC Utility
Anslutning från landström
230V AC Utility
Anslutning från landström
Anslutning från elverket i 230V AC Service.

Man skulle kunna ta bort batteriet i 12V Service och istället ha en konverter i 24V Service som kan driva alla förbrukare i 12V Service. På det sättet skulle man kunna ta bort 12V-laddaren i 230V AC Service och även batteriseparatorn i 12V Start. Nackdelen blir att det inte går att göra någon Emergency anslutning från 12V Service till 12V Start som beskrivs i nästa kapitel.

6. Förbrukare med hög effekt

Förbrukare som har stor effekt kan behöva placeras i eget delsystem eftersom de sänker spänningen mycket när de används. Ex.vis startmotor, bogpropeller och ankarvinsch. De kräver även en energikälla som tål att leverera effekten de behöver. Alla motorer har inte mjukstart utan kan dra mer än dubbelt så mycket ström när de startar (startström). Stora strömmar gör även att kablage behöver vara tjockare ju längre avstånd det är till batteriet. I vårt fall har startmotorerna och bogpropellern placerats i delsystem med egna batterier.

Lägg märke till att ankarvinschen inte är placerad i 24V DC Bow. Orsaken är att det är tänkbart att man har behov av att använda bogpropellern samtidigt som man använder ankarvinschen. Det skulle ställa ännu större krav på effekten som batteribanken i fören ska kunna leverera.

12V DC Start
Startmotor på huvudmotor och en startmotor på elverket.
Vi har även lagt till en nödanslutning till 12V Service som gör att det går att starta motorn även om batteriet i 12V Start är urladdat.
24V DC Service
Vinschar, watermaker, inverter, converters
24V DC Bow
Bogpropeller, furler till försegel
230V AC Service
Spis, varmvattenberedare, tvättmaskin samt dammsugare och verktyg anslutna till vägguttag.
230V AC Utility
Air condition

7. Förbrukare med låg effekt

Nu placeras alla resterande förbrukare ut och de hamnar i delsystem för 12V Service eller 24V Service. Vissa instrument har dubblerats och placerats i olika delsystem för ökad feltolerans.

12V DC Service
Extra Vhf, belysning, stereo, USB-laddare
En plotter och vissa navigationsinstrument med givare
24V DC Service
Belysning, tryckvattenpump, länspump, plotter, radar, AIS med GPS, Vhf, värmare, kylskåp, frys och autopilot. Observera att kontrollboxarna för bogpropeller och furler är placerade i ett annat delsystem än den styrda enheten. Anledningen är att spänningen i 24V Bow kan sjunka för mycket för kontrollboxarna som kräver stabil spänning på 24V.

Vardagselektronik

Den går ofta inte att ansluta direkt till 12V DC eller 24V DC och då är det enklast att ha en inverter ombord. Då kan du ansluta skärmar, datorer och laddare utan problem. Så ta med original-adapters till din vardagselektronik, det spar mycket arbete med elsystemet.

Telefoner och läsplattor laddas med USB-laddare och såna finns ju för 12V antingen att stoppa in i ett 12V biluttag eller för fast montage i båten, ex.vis i anslutning till platser där man vistas mycket (vid kojen, vid soffan i salongen).

Dessa små standardiserade USB-laddare levererar 5V och en viss maximal ström (USB2 ger 500mA och USB3 gr 900mA) vilket är för litet för en modern smartphone eller läsplatta. Så ta med originalladdaren för 230V AC om du vill kunna ladda fort och hålla batteriet i bra skick.