1988-02-26
Leif Andersson
Henriksbergsvägen 104
136 67 HANINGE
08/777 45 33
AC-DC?
=====
När industriländerna började elektrifieras under slutet av 1800-talet
diskuterade man livligt om man skulle ha växelströmssystem eller lik-
strömssystem.Båda systemen hade sina förespråkare och man byggde också
både likströmsnät och växelströmsnät.Så sent som på 1950-talet fanns
t ex ett likströmsnät i centrala Göteborg.
I början av detta århundrade hade systemen följande fördelar:
Likström Växelström
Mindre risk.Ingen risk för Transformerbar
hjärtkammarflimmer. Användbar för kommutatorlösa
Inga stabilitetsproblem vid en- och trefasmaskiner.
stora nät. Enkla och billiga generatorer.
Ingen infasning vid anslutning Distribution av en för hela
till tryckpunkt. nätet gemensam tidsreferens.
Inga reaktiva strömmar i nätet. Möjlighet till gnistsläckning
Små förluster vid långdistans- vid strömmens nollgenomgång.
överföring.
Ingen låsning till en gemensam
tidsreferens.
Möjlighet till enkel reservkraft
med batterier.
Likström har även en fördel som uppmärksammats först på senare tid.Den
ger inte på samma sätt som växelström upphov till pulserande elektriska
och magnetiska fält.Om sådana fält,t ex i närheten av kraftledningar,
utgör något problem är fortfarande inte helt utrett men skulle det visa
sig att de har biologiska effekter kan det bli ett mycket starkt
argument mot växelströmsöverföring.
Samtliga ovanstående fördelar med likström kvarstår även idag.
Låt oss så se på växelströmmens fördelar.
Transformerbarhet
-----------------
För att man skall få rimliga förluster vid långdistansöverföring måste
man välja en så låg frekvens som 50 Hz.Detta medför att man måste
använda transformatorer med tunga,skrymmande och dyra järnkärnor.I t ex
flygplan där man har korta överföringsavstånd och möjlighet att fritt
välja frekvens använder man ofta 400 Hz för att få rimlig storlek på
järnkärnor.
Under senare delen av 1900-talet har tekniken att bryta ström med
snabba halvledarswitchar utvecklats snabbt.Det blir nu för allt högre
effekter olönsamt att transformera 50 Hz växelsström direkt.I stället
likriktar man och hackar upp likspänningen till en växelspänning med en
frekvens som lämpar sig för transformering.På detta sätt kan man
reducera storleken på erforderlig järnkärna med någon eller några
tiopotenser.
Att i en radio sätta in en transformator som väger mer än hela appa-
raten i övrigt förefaller idag orimligt.
Värdet av växelströmmens transformerbarhet minskar idag snabbt.I
stället får vi problemet att växelströmmen måste likriktas innan den
kan hackas upp med lämplig frekvens för transformering.Likström får då
fördelen att den inte behöver någon likriktning före hackning och
transformering.
Motordrift
----------
En växelströmsmotor,speciellt en trefasmotor,är mycket enkel och
praktiskt taget outslitlig.En synkronmotor måste emellertid alltid gå
med synkront varvtal.En asynkronmotor måste gå med ett varvtal som
ligger något lägre än det synkrona men avvikelsen,den s k eftersläp-
ningen,måste vara liten om man vill ha hög verkningsgrad.
Med ett växelströmsnät med 50 Hz är man alltså hänvisad till motor-
varvtal på 3 000 rpm,1 500 rpm,1 000 rpm,750 rpm o s v.
I många tillämpningar behöver man kunna variera varvtalet efter vari-
ationer i belastningen och i andra tillämpningar behöver man varvtal
som överstiger 3 000 rpm.
Ett exempel på behovet av variabelt varvtal är fläkt- och pumpdrift.
Ofta använder man då en trefasmotor som får gå vid konstant varv.I
stället för att variera flödet genom att variera varvtalet styr man
flödet med en variabel strypning.Man använder alltså samma teknik som
om man i en bil skulle låsa fast gasen på fullgas och reglera farten
med hjälp av bromsen.
Det järn man använder i elektriska maskiner mättas vid ett magnetiskt
flöde på c:a 1 T.Man kan därför inte öka luftgapsenergin d v s
kopplingsenergin mellan stator och rotor utan att öka rotorytan.Om man
vill ta ut hög effekt ur en liten maskin måste man se till att omsätta
luftgapsenergin på kort tid d v s man måste använda ett högt varvtal.
För en rad apparater som äggvispar,handborrmaskiner och dammsugare
måste man använda betydligt högre varvtal än 3 000 rpm för att få en
rimlig motorstorlek.Man använder f n små kommutatormotorer för sådana
tillämpningar och har alltså ingen fördel av växelströmsmatningen,
tvärtom.
Utvecklingen inom datateknik och krafthalvledare har medfört att det
idag lönar sig i allt fler tillämpningar vid allt högre effekter att
likrikta växelström och hacka upp den till en trefasström med valbar
frekvens som kan driva en trefasmotor vid önskat varvtal.
Om man bortser från några få tillämpningar där det av någon anledning
är optimalt att alltid ligga vid 3 000 rpm,1 500 rpm o s v är alltså
växelström inte till någon fördel för motordrift.Med ett likströmsnät
slipper man likrikta innan man hackar med önskad frekvens.
Enkla och billiga generatorer
-----------------------------
En synkrongenerator är väsentligt enklare och billigare än en lik-
strömsgenerator.
När man under 1950-talet fick tillgång till enkla och billiga halv-
ledardioder för stora strömmar öppnades emellertid möjligheten att
producera likström genom att likrikta strömmen från en synkrongenera-
tor.Ett exempel på detta är att man i bilar praktiskt taget helt
övergett likströmsgeneratorer och ersatt dem med synkrongeneratorer med
likriktardioder.
En fördel med att använda synkrongeneratorer med likriktardioder är att
man skyddar generatorn från en del nättransienter.Man kan också
godtyckligt ändra varvtalet på en sådan generator som arbetar mot ett
likströmsnät utan att detta vållar några problem.Man kan alltså stanna
och starta en sådan generator utan att den behöver frånkopplas och
infasas.
Att förse en synkrongenerator med likriktardioder innebär naturligtvis
en,visserligen liten men dock,merkostnad.Å andra sidan förenklas
inkoppling på nätet så att totala kostnaden för generator med hjälp-
apparater i allmänhet blir lägre för en synkrongenerator med likrik-
tardioder som arbetar mot ett likströmsnät jämfört med en synkronge-
nerator som arbetar direkt mot ett växelströmsnät.
Gemensam tidsreferens
---------------------
När man var hänvisad till tidmätning med pendel eller oro gav ett
växelströmsnät möjlighet att över ett stort område sprida en noggrann
tidsreferens.Så länge man körde nätet med korrekt medelfrekvens hade
alla som använde ur med synkronmotor tillgång till rätt tid.
Tillkomsten av kristallstyrda ur har medfört en ökad noggrannhet i
tidmätning som gjort att det idag är praktiskt taget ointressant att
använda nätet som tidsreferens.I de fall där man behöver en synkroni-
seringssignal för att samordna aktiviteter är det bättre att överföra
denna via telenät eller radio.
Gnistsläckning
--------------
Vid brytning av ström med en mekanisk brytare uppstår en gnista.Vid
likström kan denna ge sådan uppvärmning av luften att denna joniseras
och blir ledande så att en permanent ljusbåge bildas.Vid växelström
slocknar ofta en sådan ljusbåge vid strömmens nollgenomgång.Växelström
har alltså en fördel om man använder mekaniska brytare.
Förutom att man vid en mekanisk brytare alltid har ett slitage p g a
gnistor vid brytning har man ett rent mekaniskt slitage och en till-
verkning som är relativt komplicerad.Vi är idag snabbt på väg att i
allt större utsträckning byta ut mekaniska brytare mot halvledarbry-
tare.Vid strömbrytning med halvledare är gnistsläckning inte ett
problem men det är betydligt enklare att bygga halvledarbrytare för
likström än för växelström.
Växelström har således inte någon fördel idag.
___________________________________
-----------------------
Tillägg 2015-01-28
Växelström kan inte lagras. Ett växelströmsnät måste dimensioneras för toppeffekt.
För ett vanligt hushåll använder vi ledningar för 25 A.
När vi övergår till hybridbilar får vi tillgång till ett stort batteri som kan användas som
buffertbatteri och en motorgenerator som kan användas vid toppbelastning. Dessutom
är ledningsförlusterna något mindre för likström än för växelström. Ett likströmsnät
behöver då bara klara medelbelastning, det vill säga för ett hushåll ungefär 5 A.
Om vi går över till likström kan vi då byta ledningar och få en hel del koppar över.
Koppar som vi kan använda för elvägar där vi kör med strömavtagare mot ett
vägräcke.
Tillägg 2017-05-22
I en likströmsbrytare kan man lägga en kondensator på lastsidan. Spänningen blir då
noll över brytgapet i brytögonblicket.
I ett växelströmsnät måste fasläget över allt vara detsamma. Från Harsprånget till Skåne
är det 150 mil. Elenergi som skapas vid Harsprånget går via kraftnätet mot Skåne. Men
information kan inte gå med högre hastighet än ljushastighet. Det tar 5 millisekunder för
ljus att gå 150 mil. När elenergin når Skåne har den alltså fördröjts 5 ms så att fasläget
i Skåne ligger 5 ms efter fasläget vid Harsprånget. Generatorer som alstrar el i Skåne
ligger alltså 5 ms efter generatorerna vid Harsprånget. Så länge all el som produceras
i Skåne konsumeras i Skåne är detta inget problem.
Om solen plötsligt går ur moln och börjar gassa på Skånes solcellstak och det blåser
kraftigt på Skånes vindkraftverk och Skånes motorgeneratorägare råkar köra sina
motorgeneratorer kan elproduktionen i Skåne överstiga konsumtionen. Då går elenergi
som skapats i Skåne med en fördröjning på 5 ms mot Harsprånget och kommer fram
med en fördröjning på ytterligare 5 ms. Den kommer alltså fram med en fördröjning på
10 ms det vill säga en halv period.
Om Skåne plötsligt blir nettoleverantör kommer alltså generatorn vid Harsprånget att
vara kopplad till en ledning i motfas mot vad generatorn genererar.
Om man mellan två punkter, en med generator och en med last, har två kraftledningar
som går olika väg så att den ena är betydligt längre än den andra kommer de vid
lastpunkten att ha olika fasläge.
Till http://www.lexsup.se