Labb 2 – Enfas växelström med R-, L- och C-last
Spänning, ström och effekt i resistiv och induktiv last på 230 V, effektfaktor, aktiv, reaktiv och skenbar effekt samt faskompensering med kondensator.
Syfte och koppling till ämnesplanen
Eleven mäter på riktiga laster på 230 V och ser hur lastens karaktär påverkar strömmen och effekten. Labben ger underlag för betygskriterierna om att utföra mätningar på ett säkert sätt, utföra beräkningar och arbeta säkert enligt standarder och bestämmelser.
| Centralt innehåll (ELLA nivå 1) | Moment |
|---|---|
| Elektriska storheter och samband i enfasväxelströmkretsar | A, B |
| Mätning i enfasväxelströmkretsar med resistiv, induktiv och kapacitiv belastning | A, B, C |
| Beräkningar på fasförskjutning | B, C |
| Övertoner och faskompensering vid olika laster | C, D |
| Säkerhet inom elområdet | Alla |
Förberedelse i Kraftsmedjan
- Modul 4 – Enfas växelström
- Modul 8 – Resistiv belastning
- Modul 9 – Induktiv belastning
- Modul 10 – Kapacitiv belastning, särskilt lektionerna om kompensering
- Modul 12 – Fasförskjutning (lektion 1–18)
- Modul 7 – lektionerna Effektmätaren och energimätaren samt CAT-kategorier, prober och säkra arbetsmetoder
Eleverna räknar ut S, Q och cos φ för exempellasten och den kapacitans som behövs för cos φ 0,95 innan de kommer till labbet.
Utrustning per labbplats
- Labbord med 230 V-matning via jordfelsbrytare (30 mA), säkring och nödstopp
- Säkerhetsladdar 4 mm med beröringsskydd och säkerhetsuttag
- Effektmätare (U, I, P, cos φ) eller effektanalysator
- True RMS-multimeter och strömtång, minst CAT III 300 V
- Resistiv last: värmeelement eller glödlampor, 500–1 000 W
- Induktiv last: drossel eller enfasmotor, 300–800 W, cos φ omkring 0,5–0,7
- Kondensatorer 10, 20 och 40 µF för minst 400 V AC, med urladdningsmotstånd
- Gärna oscilloskop med differentialprob för lärardemonstration (moment D)
Säkerhet
Genomförande
A. Resistiv last
- Läs märkdata för den resistiva lasten och räkna ut förväntad ström och resistans.
- Mät lastens resistans spänningslöst (kall). Koppla in effektmätaren och spänningssätt.
- Mät U, I, P och cos φ. Räkna ut S = U·I och jämför med P. Räkna ut den varma resistansen U/I och jämför med den kalla.
B. Induktiv last
- Byt till den induktiva lasten. Mät U, I, P och cos φ.
- Räkna ut S, Q och fasvinkeln φ. Rita effekttriangeln.
- Jämför strömmen med en resistiv last med samma aktiva effekt: varför är den större?
C. Faskompensering
- Räkna ut vilken kapacitans som ger cos φ 0,95 för den induktiva lasten.
- Koppla in kondensatorer parallellt med lasten, ett steg i taget (spänningslöst mellan stegen). Mät U, I, P och cos φ för varje steg.
- Observera att P är i stort sett oförändrad medan strömmen minskar. Prova ett steg för mycket och se hur strömmen ökar igen (överkompensering, kapacitiv karaktär).
D. Lärardemonstration: fasförskjutning och vågform
Visa spänning och ström för den resistiva och den induktiva lasten på oscilloskopet med differentialprob och strömprob. Mät tidsskillnaden mellan nollgenomgångarna och räkna om den till grader. Visa gärna också strömmen till en apparat med likriktare (till exempel en laddare) – den är inte sinusformad och innehåller övertoner.
Mätprotokoll
A–B. Laster
| Last | U (V) | I (A) | P (W) | cos φ | S = U·I (VA) | Q (var) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Resistiv | ||||||
| Induktiv |
| Resistiv last | Värde |
|---|---|
| Märkeffekt / märkspänning | |
| Resistans kall (uppmätt) | |
| Resistans varm (U/I) |
C. Kompensering
| C (µF) | U (V) | I (A) | P (W) | cos φ | Kommentar |
|---|---|---|---|---|---|
| 0 | |||||
| 10 | |||||
| 20 | |||||
| 30 | |||||
| 40 |
| Beräkning | Resultat |
|---|---|
| Behövd Q_C för cos φ 0,95 | |
| Behövd kapacitans |
Förväntade värden (för läraren)
Exempel för en resistiv last 1 000 W och en induktiv last med P = 500 W och cos φ 0,6, båda på 230 V och 50 Hz. Räkna om med era lasters verkliga värden.
| Storhet | Formel | Värde |
|---|---|---|
| Resistiv: ström | I = P/U | 4,35 A |
| Resistiv: varm resistans | R = U²/P | 52,9 Ω |
| Induktiv: skenbar effekt | S = P/cos φ | 833 VA |
| Induktiv: ström | I = S/U | 3,62 A |
| Induktiv: reaktiv effekt | Q = √(S² − P²) | 667 var |
| Q_C för cos φ 0,95 | Q_C = P·(tan φ₁ − tan φ₂) | 502 var |
| Kapacitans för cos φ 0,95 | C = Q_C/(2π·f·U²) | 30,2 µF |
| Ström vid cos φ 0,95 | I = P/(U·0,95) | 2,29 A |
| Med 20 µF: Q_C | Q_C = 2π·f·C·U² | 332 var |
| Med 20 µF: cos φ och ström | 0,83 och 2,62 A |
Reflektionsfrågor
- Varför drar den induktiva lasten mer ström än en resistiv last med samma aktiva effekt?
- Vad händer med P, Q, S och strömmen när ni kompenserar? Varför ändras inte P?
- Varför vill elnätsföretag och fastighetsägare att stora induktiva laster kompenseras?
- Vad händer om man överkompenserar?
- Vilka säkerhetsåtgärder var viktigast i labben och varför?
Bedömningsstöd
| E | C | A | |
|---|---|---|---|
| Mätning | Mäter U, I och P säkert enligt instruktionen | Mäter självständigt och säkert, väljer instrument och kontrollerar rimligheten | Planerar mätserien för kompenseringen, förklarar avvikelser och instrumentens begränsningar |
| Beräkning | Räknar S och cos φ för en last | Räknar Q, φ och effekttriangeln och jämför med mätningen | Räknar kapacitansen för kompenseringen och förklarar skillnader mellan beräknat och mätt |
| Säkerhet | Följer säkerhetsreglerna | Följer reglerna och förklarar varför de finns | Förutser risker själv, till exempel laddade kondensatorer och varma laster |