3de bach HI
Elektrotechniek
Prof. Peremans : Samenvatting + voorbeeldexamenvragen
Q 263
uickprinter Koningstraat 13 2000 Antwerpen www.quickprinter.be
3.50 EUR
Nieuw!!! Online samenvattingen kopen via www.quickprintershop.be
Elektrotechniek Inleiding: Het opleidingsonderdeel Elektrotechniek bestaat uit: Hoorcolleges – practica – twee labozittingen. Dit omvat alle slides/notities uit het eerste semester Eletrotechniek. De leerstof uit het eerste semester omvat eveneens volgende onderwerpen uit de cursusteksten op Blackboard: - RC Kring (examen!) - RL Kring Examen (enkel juni): Het examen bestaat uit drie delen: theorie, oefeningen en practica. Het theoretische gedeelte is een mondeling examen met schriftelijke voorbereiding. Dit gedeelte bestaat uit 1 grote vraag (8p) en twee kleinere vragen (elk 1p). Bij de hoofdvraag worden nog bijvragen gesteld. Het oefeningengedeelte bestaat uit twee oefeningen (elk 3p). De practica, die doorheen het jaar worden uitgevoerd, moet je eveneens op het examen kunnen maken. Voorbeeldexamenvragen kan u vinden aan het einde van deze samenvatting.
1
Contents Les 1: Electricity consumption, distribution and production in Belgium ................................................ 4 Electricity/energy distribution: ........................................................................................................... 4 Evolutie van de energie consumptie: .................................................................................................. 4 Evolutie van elektriciteit per sector: ................................................................................................... 4 Voorspelling van de vraag naar elektr. energie: ................................................................................. 4 Les 2: Resistor Netwerken ....................................................................................................................... 5 Takken, knopen en lussen ................................................................................................................... 6 Elektrische grootheden ....................................................................................................................... 6 Elektrische componenten.................................................................................................................... 6 Analogie: water ................................................................................................................................... 7 Wetten van Kirchoff: netwerktheorie-netwerkanalyse ...................................................................... 7 Twee eenvoudige netwerken .............................................................................................................. 8 Netwerktransformaties ....................................................................................................................... 9 Lineariteit en Superpositie ................................................................................................................ 10 Knooppuntsmethode ........................................................................................................................ 10 Les 3: Transient netwerken ................................................................................................................... 12 Elektrische netwerken ....................................................................................................................... 12 Weerstandsnetwerken ...................................................................................................................... 12 Elektrische componenten.................................................................................................................. 12 Tijdsafhankelijk gedrag van Elektrische Netwerken.......................................................................... 14 Les 4: Sinusregime ................................................................................................................................. 18 Elektrische netwerken in sinusregime .............................................................................................. 18 Waarom sinusregime?....................................................................................................................... 18 Terminologie ..................................................................................................................................... 18 Herhaling complexe getallen ............................................................................................................. 19 Complexe voorstelling van sinusoïdale signalen ............................................................................... 19 Gedrag netwerkelementen in sinusregime ....................................................................................... 20 Les 5: Vermogensoverdracht................................................................................................................. 23 Overdracht van elektrisch vermogen ................................................................................................ 23 Omzetting van elektrische energie naar warmte .............................................................................. 23 Oplslag van energie in een condensator ........................................................................................... 23 Opslag van energie in een spoel........................................................................................................ 24 Vermogen in sinusregime.................................................................................................................. 24 2
Rendement ........................................................................................................................................ 28 Les 6: Meerfasige vermogensoverdracht .............................................................................................. 29 Vermogen opwekking: ...................................................................................................................... 29 Vermogen opwekking: éénfasig ........................................................................................................ 30 Vermogen opwekking: meerfasig...................................................................................................... 30 Schakeling van bronnen: driehoek .................................................................................................... 31 Schakeling van bronnen: ster ............................................................................................................ 32 Vermogen in belasting: meerfasig..................................................................................................... 32 Laatste Les: Elektrische netwerken in de praktijk: op weg naar een “smart-grid” ............................... 34 Belang van elektriciteit ...................................................................................................................... 34 Wat meer over elektriciteit ............................................................................................................... 34 Topologie van het huidige netwerk................................................................................................... 34 Kwaliteitsvereisten stroomvoorziening............................................................................................. 34 Vraag naar elektriciteit ...................................................................................................................... 35 De vraag analyseren .......................................................................................................................... 36 Opwekking van elektriciteit ............................................................................................................... 37 Opwekking economisch bekeken ...................................................................................................... 37 Uitdagingen en beperkingen van het huidige netwerk ..................................................................... 38 “Smart grid” ....................................................................................................................................... 38 Topologie van een “smart-grid” ........................................................................................................ 38 De belangrijkste componenten van een smart grid .......................................................................... 39 Mogelijkheden van een smart-grid ................................................................................................... 39 “Smart-grid” en “demand response” ................................................................................................ 40 Uitdagingen voor “smart grids”......................................................................................................... 40 Voorbeeldexamenvragen ...................................................................................................................... 41 Algemene opmerkingen: ................................................................................................................... 41 Theorie: ............................................................................................................................................. 41 Oefeningen: ....................................................................................................................................... 41 Practicum:.......................................................................................................................................... 41
3
Les 1: Electricity consumption, distribution and production in Belgium Electricity/energy distribution: - Electricity used as energy carrier: energy production and consumption no longer need to happen in the same location - Electricity net: energy can be transported in a controlled fashion and efficiently - Efficient transduction of electric energy into and from other forms of energy bv. Elektische verwarming: elektische energie omzetten in warmte - Opslag van elektrische energie is niet zo efficient
Evolutie van de energie consumptie: Blauw: elekt. energie consumptie -> elektr. energie is erg handig -> consumptie ↗
Evolutie van elektriciteit per sector: Industrie > residentieel > overige > transport
Voorspelling van de vraag naar elektr. energie: - wintermaanden > zomermaanden - opm. In zomer ook hoog door bv. air-conditioning - weekdagen > weekend - dagelijkse piek: +18u - probleem: productie van hernieuwbare energie is moeilijk te voorspellen (bv. onvoorspelbare weersomstandigheden) mogelijke oplossing: gebruikers afschakelen indien niet genoeg energie
4
Les 2: Resistor Netwerken
- links: opwekking elekt. energie transformatoren via transmissielijnen verspreid indi. verbruikers (industrieel, residentieel...) - Dit moeten we modeleren om de voorbeeldvragen te kunnen beantwoorden
- leverancier v. energie (spanningsbron, bv. centrale van Doel) verliezen (transport) verschillende nuttige gebruikers - heel vereenvoudigd 5
- elektrische netwerken: - zijn een model van de werkelijkheid (model ≠realiteit) - model laat systematische (quantitatieve) analyse toe - complex gedrag uit simpele bouwstenen
Takken, knopen en lussen - tak (links): basiscomponent waaruit netwerk opgebouwd is, legt verband op tussen i en u - als i negatief is dan beweegt stroom tegengesteld aan deze zin - als i postief dan bewegen ze in die zin van de pijl - vloeit stroom door de tak, over de tak staat een spanningsverschil - twee uiteinden bevinden zich op ander potentiaal -> spanningsverschil over de tak - knoop (rechts): punt waar twee of meer takken samen komen - lus (rechts): gesloten pad bestaande uit twee of meer takken v.e. netwerk (je komt terug aan bij het beginpunt (= bepaalde knoop)) -toppologie v. elektr. netwerk = manier waarop takken zijn verbonden - bv.5: 1 4 (5 (=onderste) is verbonden met 1 en 4) - bv. u1 = f(u1) = Ri1 (wet v. Ohm)
Elektrische grootheden spanning - drijvende kracht voor de beweging van lading doorheen een elektrisch netwerk - verschil in potentiaal tussen 2 punten - symbool V,E of U, uitgedrukt in Volt (V) - “spanning staat OVER een component” - spanningsverschil meten -> op de twee referentiepunten plaatsen Stroom: - transport v. lading doorheen een oppervlak per tijdseenheid - bij conventie vloeit de stroom v. punt met hoge potentiaal naar punt met lage potentiaal - symbool I, uitgedrukt in Ampere (1 A = 1 C/sec) - “stroom vloeit DOOR een component”
Elektrische componenten Spannings- en stroombronnen: - voor een tak met stroombron in geldt: Itak = i 6
- voor een tak met een spanningsbron (= aan het newerk de voorwaarde opleggen dat er altijd een spanningsverschil zal ontstaan) in geldt, doorheen de hele tak: Utak = e (cte.) - bv. 5 volt
- recht: stroombron Weerstand: - maat voor energie per tijdseenheid die nodig is om een bepaalde stroom te laten vloeien - energie wordt gedissipeerd als Joule warmte: P = R · i2r - voor een tak met een weerstand in geldt de wet van Ohm: u = vr = R · ir
Analogie: water - verschil in hoogte (waterdruk -> drukverschillen = spanningsverschillen): spanning - waterdebiet: stroom - diameter waterbuis: weerstand
Wetten van Kirchoff: netwerktheorie-netwerkanalyse - 2 wetten die het gedrag v. netwerken beschrijven - komen voort uit 2 principes: - behoud v. lading in een netwerk - behoud v. energie - principe 1: behoud v. lading
- stroomwet: de som v. alle stromen naar (pos.) (of weg van (neg.)) een knooppunt is gelijk aan nul
7
-principe 2: behoud van energie - spanningswet: som van alle spanningen in een gesloten lus in een netwerk is gelijk aan nul:
Twee eenvoudige netwerken Netwerk 1: spannigsdeler
knoop 1
stroomwet
spanningswet
wet v. Ohm - drie knopen/takken en één lus - stroom en spanningswetten toegepast Netwerk 2: stroomdeler:
knoop
- stroom door kleinste weerstand zal ongeveer 1 zijn, door de grootste weerstand heel klein stroom gaat door de tak met kleinste weerstand
8
Netwerktransformaties Waarom vereenvoudigen? - wat is de invloed v.d. weerstand tussen A en B op de totale stroom geleverd door de bron?
- Door Serie en Parallel takken te vervangen kan de analyse v.h. netwerk eenvoudiger worden bv. willen enkel weten welke spanningsverschil er is tussen A en B en welke stroom er vloeit rest kan vereenvoudigd worden Serie- en parallelschakeling - netwerkelementen zijn in SERIE geschakeld als dezelfde stroom door alle elementen(weerstanden) vloeit - netwerkelementen zijn in PARALLEL geschakeld als hetzelfde spanningsverschil over alle elementen (weerstand) staat:
- voorbeeld: zoek een uitdrukking voor de stroom door de bron in functie v.d. weerstand tussen A en B
9
