Sähkötekniikka ja elektroniikka Kimmo Silvonen (X)
Laboratoriotyöt Ti 8 10, Ti 10 12, To 10 12, Pe 8 10 (vain A) 4 labraa joka toinen viikko, 2 h 15 min, ei koeviikolla. Labrat alkavat ryhmästä riippuen 6. 15.10. Oodissa A- ja B-ryhmien päivämäärät Puuttuvan työn voit korvata sovittuna aikana Vuorosi säilyy, jos jäät pois; kaveri voi silti tulla Lue turvallisuus- ja ensiapuohjeet! Selvitä 1. työsi numero (tieto tulee MyCoon)! Lue työohje Nopasta etukäteen! Labrassa on lainapruju, jota ei pidä pölliä! Kurssin hauskin ja vähiten streßaava osa! Page 2 (14)
Vaihtovirran teho Luento Hetkellinen teho p(t) = u(t) i(t) Keskimääräinen teho P = W T = 1 T T 0 p(t)dt 2 P U Esim. loistelamppu 0,5 {}}{{}}{{}}{ Vaihtovirran teho }{{} P = U I cosϕ }{{}}{{} 36W 230V 0,157A Kompleksinen teho S = U I = P + jq Loistehon kompensointi, tehosovitus Sininen maito 1,5 l, energiasisältö: 2850 kj = 0,792 kwh Page 3 (14)
Lamppu ja konkka Light Bulb (R) vs. C Kumpi kuumeni enempi? + 230 V 0,326 75 W Tätä älä kokeile kotona (en itsekään aio)! 0,903 + 230 V 12,5 µf P = 0 I = U = jωcu = 2πfCU 90 1 jωc Page 4 (14)
Siniaallon hetkellinen teho Instantaneous Power Vaihtelee tuplataajuudella + i(t) u(t) p(t) φ u φ i = φ u(t) = 2 U sin(ωt + φ u ) i(t) = 2 I sin(ωt + φ i ) p(t) = ui = 2 UI sin(ωt + φ u )sin(ωt + φ i ) = UI cos(φ u φ i ) UI cos(2ωt + φ u + φ i ) Teho virtaa tietysti jännitelähteestä kuormaan! Vai virtaako? Page 5 (14)
Resistiivinen vs. reaktiivinen kuorma Power Factor Tehokerroin cosφ, alla ääritapaukset; usein cosφ 0,5 p(t) T/2 T = 1/f 2 UI UI Joo Joo cosφ = 1 t p(t). T/2 UI P > 0 Joo cosφ = 0 P < 0 Ei t P = 0 Monivalintakysymyksiä on toivottu, tästä saatte: onko U I yhtä suuri kuin hetkellisen tehon huippuarvo silloin, kun keskimääräinen teho on nolla? On! Page 6 (14)
Hetkellinen, keskimääräinen ja kompleksinen teho Vaihtovirran teho ei ole U kertaa I. Muista liittoluku I! φ {}}{ p(t) = UI [cos( φ u φ i ) cos(2ωt + φ u + φ i )] P = P Average = 1 T T 0 p(t)dt = UI cosφ S = UI ( ) {}}{ = U φ u I φi = UI φ u φ i φ S = UI cosφ+j UI sinφ }{{}}{{} P (W) Q (VAr) (VA) Oikea teho on pätötehoa P, loistehoa Q ei ole fysikaalisena tehona olemassa! Page 7 (14)
Näennäisteho S, pätöteho P, loisteho Q, Tehokolmio Apparent Power, Active Power, Reactive Power, Power Triangle Näennäisteho on vain näennäistä! Loistehon paras fysikaalinen tulkinta: Q = p(t) MAX p(t) MIN eli hetkellisen tehon positiivisen ja negatiivisen maksimin itseisarvojen keskiverto! (1. vk 24.10.2011) S = UI = P + jq S = UI Q φ P S = UI U = ZI I = YU S = U 2 Z = Z I 2 = U 2 Y = I 2 Y Page 8 (14)
Tehon virtaus Kertausesimerkki, lukuarvot esim. STPT, s. 235. R syö pätötehoa P, C tuottaa ja L kuluttaa loistehoa Q. + S 1 S = P + jq Q P Q R = 0 S 2 Q 4 < 0 Q 5 = 0 S 3 S 4 S 5 Q L > 0 Q C < 0 P R > 0 P L = 0 P C = 0 Page 9 (14)
Kompensointikondensaattori Compensation Moottoriin 200 W tehoa mahdollisimman pienellä virralla! Tämä on laskuharjoitustehtävä 41 eri lukuarvoilla: Esim. U = 40 V, ω = 2, P R = 200 W, cosφ CLR = 1 cosφ LR = 0,5 I = 5 I L = 5 j5 3 Moottori 5 10 + 200+j0 200+j200 3 3 40 3 16 Ei loistehoa j5 2 3 40 5 cos0 = 200 Kompensointi R I 2 = 200 W Kun C on lisätty, virta I < I L, vaikka teho P R ei muutu! Q C = Q L. Page 10 (14)
Miten loisteho Q voi kasvattaa virtaa, kun kerran loisteholla ei ole fysikaalista vastinetta? Loistehoa syntyy, jos piirissä on energiavarastoja (L tai C) Energiaa siirtyy edestakaisin energiavarastojen ja lähteen välillä Edestakaisin heiluva energia ei kulu, jos johtimissa ei ole vastusta. Tältä osin myöskään tehoa ei kulu Edestakaisen tehon p takia "kuorma-autovirtaa" tarvitaan enemmän tietyn keskimääräisen tehon P siirtämiseen: p P Alempi auto palaa tyhjänä takaisin, ylempi noudattaa sanontaa: "vie mennessäs tuo tullessas" Mutta edestakainen teho ei ole yhtä suuri kuin loisteho! Siksi loisteholla ei ole suoraa fysikaalista vastinetta. Piiriin varastoituva teho vaihtelee välillä 0... UI. Page 11 (14)
Resonanssitaajuus f 0 ja Q-arvo Sarjaresonanssi ja rinnakkaisresonanssi, Z tai Y reaalisia ja minimissään R L C R C L Z = R + j ωl 1 }{{ ωc } X=0, Z MIN Y = 1 R + j ωc 1 }{{ ωl } B=0, Y MIN ω 0 = 1 LC ω 0 = 1 LC Q = ω 0L R Q = ω 0C G = ω 0 B ω Page 12 (14)
Hyvyysluku Q kuvastaa resonanssin terävyyttä Q = f 0 B f = f 0 f 2 f 1 eli keskitaajuuden suhde 3 db:n kaistanleveyteen, Z 3 db = 2Z min Page 13 (14)
Kidekone demodulaatio Crystal Set Radio Suuritaajuinen kantoaalto (AM) on amplitudimoduloitu pienitaajuisella signaalilla Ulkomaiset AM-lähetykset (www.mediumwave.de, www.fmscan.org) kuuluvat vielä Suomessa. Ionosfääri-heijastukset (alle 30 MHz) DX-kuuntelu. AM-moduloinnin periaate: Lanka-antenni, resonanssipiiri, ilmaisindiodi, (pietso)kuuloke Page 14 (14)