ahnlund@kth.se
Gustav Mörée
moree@kth.se SammanfattningI den här artikeln utreds hur en eventuell övergång till ett likströmsnät i hemmamiljö skulle kunna se ut. Frågeställningen behandlas utifrån de tekniska förutsättningar som finns i hemmet samt de problem som skulle uppstå i och med en implementering av ett likströmsnät. Till grund för arbetet ligger de experiment som utförts i elmaskinlaboratoriet på KTH och den litteraturstudie som gjorts i ämnet. Likströmsnätet diskuteras utifrån central likriktning, omvandling, spänningsnivåer, brytare, nätuttag, säkringar samt kablage. Tre förslag på en övergång till likström presenteras utifrån de ovan nämnda punkterna. Förslagen innebär en gradvis övergång där den tekniska utrustningen i hemmet måste anpassas och bytas ut i takt med att likströmsnätet utnyttjas mer effektivt. Arbetet har utförts inom ramarna för kandidatexamensarbetet för civilingenjörsprogrammet i elektroteknik vid KTH.
1. INTRODUKTION
Att diskutera användning av likström i dagens samhälle har blivit en större och viktigare fråga. Med tekniska lösningar som HVDC finns det påvisligen likströmstillämpningar som är effektivare än sin motpart [1]. Senaste åren har man diskuterat lokala elnätslösningar i hem- och kontorsmiljö som oftast benämns ”micro grids” [2]. Ofta inkluderas dessa lösningar också inom begreppet smarta elnät eller ”smart grids” [3]. Tanken är att man med dessa lokala nät ska kunna koppla upp sig mot alternativa närproducerande energikällor så som vindturbiner, solpaneler [4] och bränsleceller [5] samt att kunna kontrollera drift och tillförlitlighet på en lokal nivå [6].
Antalet likspänningsberoende produkter ökar i hemmet och dessa måste alla ha en egen likriktare och eventuell likspänningsomvandlare. Dessa omvandlare är oftast tillverkade av olinjära effektelektroniska komponenter som skickar ut övertoner på det matande nätet [7]. Att centralisera likströmsomvandlingen och anpassa hemmet till likström skulle innebära minskade effektförluster och ökad kvalitet på elnätet [2]. De huvudsakliga fördelarna med att utveckla ett lokalt likströmsnät i ett hushåll är följande:
• Minskade energiförluster
• Ökad kvalitet på spänningskurvformen i växelströmsnätet
• Förbättrad möjlighet att ansluta förnybara energikällor
Ett centralt problem vid användning av likström är hur brytning ska gå till och hur brytarna ska utformas. När en likströmsmatad krets bryts kommer den upplagrade energin i kretsinduktanserna att sträva efter att bibehålla strömflödet ( . Den av induktansen genererade spänningen kommer att driva strömmen genom en ljusbåge i kretsens avbrott. Ljusbågar ska inte förväxlas med vanlig gnistbildning som beror på en hög potentialskillnad mellan två ytor. Fysiken bakom ljusbågar är mycket komplex men man kan konstatera att deras uppkomst är kopplad till strömstyrkan till skillnad från en vanlig gnista [8]. Då likspänning saknar en naturlig nollgenomgång kommer ljusbågen inte att släckas som den hade gjort vid växelström [9]. Då de brytare som finns i hemmet idag är anpassade till växelström är det intressant att utreda huruvida dessa klarar av att bryta likström samt att studera hur en enkel likströmsbrytare i hemmet skulle kunna utformas ifall växelströmbrytarna behöver bytas ut.
Vid implementeringen av ett likströmsnät är det intressant att utreda hur driften hos hushållsutrustning påverkas av likspänning. Skulle en stor andel av utrustningen i hemmet bytas ut eller modifieras blir det svårare att hävda andra fördelar med likspänning. Enligt A. Sannino et al. [10] föreslås en likspänningsnivå på 230 V till de laster som är rent resistiva. För andra effektelektroniska laster föreslås en likspänningsnivå på 326 V som ska motsvara en växelspänning med samma toppvärde (effektivvärdet 230 V). Av praktiska skäl är det önskvärt att endast ha ett fåtal spänningsnivåer tillgängliga i hemmet. Det är därför intressant att verifiera att resistiva laster fungerar felfritt vid 230 V samt att utreda hur driften hos elektroniska laster påverkas vid motsvarande spänningsnivå.
Utöver de punkter som tagits upp ovan bör man diskutera hur nätet ska utformas, utreda hur säkringar och kablage påverkas samt hur olika tekniker för central likriktning och omvandling fungerar. Utifrån de resultat som erhålls från experiment kommer ett eller flera hypotetiska nät utformas och analyseras utifrån ovan nämnda specifikationer. Artikelns övergripande syfte är att beskriva tekniska förutsättningar för ett likströmsnät och utvärdera nyttan av en övergång. Då detta kan ses som en förstudie kommer inga ingående ekonomiska kalkyler att utföras.
Artikeln disponeras enligt följande:
• Avsnitt 2 behandlar de experimentella resultat som erhållits vid drift- och brytningstester.
• Avsnitt 3 behandlar olika likriktartopologier och beskriver kortfattat tekniken bakom omvandling.
• Avsnitt 4 behandlar olika tänkbara spänningsnivåer och presenterar tre förslag.
• Avsnitt 5-9 beskriver utformning av nät, likströmsbrytare, nätuttag, säkringar och kablage utifrån spännignsnivåerna som föreslås i Avsnitt 4. • Avsnitt 10 diskuterar de olika nät som presenterats
och analyserar dem utifrån ett nyttoperspektiv. • Avsnitt 11 sammanfattar artikelns slutsatser.
2. EXPERIMENTELLA UTFÖRANDEN
Vid de två olika experimentserierna som utfördes användes ett likströmsaggregat för att simulera ett tänkt likströmsnät. Aggregatet var av modellen Delta Elektronika SM300-10D och hade en spänning- och strömbegränsning på 300 V respektive 10 A. I den första experimentserien testades driften av vanlig hushållsutrustning på likström. I den andra experimentserien undersöktes risker med växelströmsbrytare i likströmsnät samt risken vid kabelryckning vid likström. I Fig. 1 återfinns fyra av de uppställningar som gjordes.
Figur 1. Några av de komponenter som testades med likström. Från vänster: enkel strömbrytare, enfas kabel i eluttag, E27 lampsockel och grenuttag med strömbrytare
2.1 Hushållsapparatur på likström
Den utrustning som testades motsvarar typisk utrustning från hemmet och delas in i följande tre kategorier:
Spänningsomvandlare
• Nätaggregat för dator (Dell NPS-250KB D, 250 W)
Belysning
• Glödlampa (Osram E27, 60W)
• Lågenergilampa (North Light E27, 11W)
Allströmsmotorer (universalmotorer)
• Elvisp (Coline, 230W) • Hårfön (Coline, 2000W)
A. Nätaggregat
Först kontrollerades den vanliga driften med 230 V växelspänning. Spänningsnivån på nätaggregatets 12 V- kontakter uppmättes då till 12,0 V. Då nätaggregatet spänningssattes med 230 V likspänning erhölls samma utspänning som då det matades med 230 V växelspänning, se Fig. 2. Detta talar för att likriktare och omvandlare i dagens hemelektronik skulle fungera även efter en övergång till likspänning. Resultatet pekar också på att en spänningsnivå på 326 V som A. Sannino et al. [10] föreslår inte skulle vara nödvändig.
Figur 2. Test av nätaggregat på likström. Utspänningen är den samma som när aggregatet matas med
växelspänning
B. Belysning
Vid 230 V likspänning var driften hos både glödlampan och lågenergilampan opåverkad. Vid denna spänning drog lamporna 0,3 respektive 0,1 A vilket motsvarar deras märkeffekt på 60 och 11 W. Att glödlampan skulle lysa vid likspänning var förväntat till skillnad från lågenergilampan som drivs av effektelektronik. Många lågenergilampor är idag märkta för likspänning. Detta var dock inte fallet för den lågenergilampa som användes i det här experimentet. Vid 230 V likspänning och strömmen 0,3 A lyste glödlampan utan några synliga problem och driften antogs vara den samma som vid motsvarande växelspänning. Lågenergilampan lyste vid 230 V och 0,1 A likström utan någon synlig skillnad jämfört med motsvarande växelström. Utfallen visar att allmänt förekommande belysning kan förväntas fungera i ett likströmsnät.
C. Allströmsmotorer
Vid experiment med motorbaserad hemelektronik påvisades att även den fungerade felfritt vid 230 V likspänning. Elvispen testades endast i tomgång och strömmen uppmättes till 1,0 A. Den drog i detta läge 220,8 W. Även hårfönen fungerade utan problem vid likspänningen 230 V och strömmen 8,7 A. Resultaten var dock förväntade då elvispen och hårfönen i utförandena utgjordes av allströmsmotorer som skall fungera vid likspänning såväl som växelspänning.
Även värmeelementet i hårfönen förväntades fungera felfritt vid likspänning då detta kan ses som en resistiv last. Den kanske viktigaste iakttagelsen var att utrustningens inbyggda strömbrytare fungerade felfritt även vid likström. Inga problem uppstod vid varken till- eller frånslag av strömbrytaren. Nämnas bör att den höga effekten hos hårfönen till största del gick till värmeelementen. Med andra ord kan man inte vara säker på hur brytaren hos t.ex. en dammsugare på 2000 W skulle fungera då denna har en större allströmsmotor och därmed större induktans.
2.2 Säkerhetsrisker vid likströmsbrytning
För att simulera en resistiv last och anpassa effekten användes 6 stycken keramiska motstånd på 12 Ω och maximalt 200 W vardera. För att simulera en induktiv last användes två parallellkopplade induktanser om 17,0 mH respektive 14,8 mH. Uppställningen av induktanserna och de keramiska motstånden återfinns i Fig. 3. Då svårigheterna vid brytning främst är kopplade till strömstyrkan och kretsinduktansen (se introduktionen) användes inte 230 V likspänning vid alla experiment.
Figur 3. Simulering av last, induktanser (vänster) och motstånd (höger)
A. Test av enkel strömbrytare
Strömbrytaren som användes var en 1-polig lampknapp (Cotech) tillverkad för växelströmsbrytning vid maximalt 300 W. Vid 230 V likspänning motsvarar den maximala effekten en ström på 1,3 A. För att inte överbelasta motstånden seriekopplades de och ett totalt motstånd på 72 Ω erhölls. För att få en ström på 1,3 A ställdes spänningen in på 95 V och den resulterande effekten i lasten uppgick då till 121,7 W. Vid denna belastning hade strömbrytaren inga påvisliga problem att bryta strömmen. Därefter höjdes spänningen till 230 V och strömmen uppgick då till 3,2 A. Effekten i lasten var då 719 W. Vid de tre brytningsförsök som gjordes syntes ljusbågar innanför brytarens plasthölje. När lampknappen senare monterades isär syntes tydliga brännskador på ytorna kring brytaren, se Fig. 4. Trots att belastningen på 719 W överstiger den rekommenderade skulle brytningen av en motsvarande växelström inte medföra samma konsekvenser.
Figur 4. Skador på insidan av lampknappen efter likströmsbrytning
B. Test av brytare i grenuttag
Grenuttaget som användes i testet var tillverkat av Clas Ohlson och var märkt med en maxeffekt på 3680 W d.v.s. 16 A vid 230 V. 12-Ωs motstånden parallellkopplades och en total resistans på 2 Ω erhölls. Spänningen ställdes in på 24 V och strömmen uppgick då till 10,2 A. Vid denna belastning hade brytaren i grenuttaget inga svårigheter att bryta strömmen. Därefter anslöts glättningsinduktanserna. Spänningen ställdes in på 26 V och strömmen uppgick då till 10,1 A. Brytaren hade trots den extra induktansen inga svårigheter att bryta strömmen. På grund av begränsningar hos likströmsaggregatet kunde inte högre strömmar testas.
C. Test av kabelryckning
Ett möjligt problem för ett likströmsnät skulle vara om en nätkabel rycks ut vid belastning. Ljusbågar kan förväntas uppträda varpå kontakterna kan skadas. Dessutom föreligger risk för personskador.
Vid detta experiment följde samma förfarande som i testet av brytare i grenuttag. Istället för att bryta strömmen med en brytare användes en enkel ojordad enfaskabel ansluten till ett typiskt vägguttag (Cotech 1-vägs). När kretsen var ansluten till belastningen användes ett rep för att rycka kabeln ur sitt uttag. Vid den enkla resistiva lasten (24 V, 10,1 A) skedde inget märkbart. När den induktiva lasten (26 V, 10,1 A) kopplades på uppträdde en liten ljusbåge när kabeln rycktes loss. Ljusbågen var dock väldigt liten och inga skador uppträdde på utrustningen.
Experimentets resultat pekar på att inga större risker föreligger vid kabelryckning i likströmsfallet. Att ersätta dagens växelströmsnät till likström skulle förmodligen vara möjligt efter vissa enklare anpassningar på utrustning.
3. LIKRIKTNING OCH OMVANDLING
Vid en övergång till likström på lokal nivå måste det finnas teknik som klarar av att likrikta och eventuellt omvandla den matande spänningen (3×400 V) för att den ska få önskad karaktäristik. Det är även relevant att beskriva de grundläggande komponenterna i lokala likriktare och omvandlare för att kunna diskutera dessa senare.
3.1 Central likriktning
A. Diodlikriktare
Diodlikriktaren är den enklaste principen för likriktning. Då ett svenskt hushåll är anslutet till 3×400 V växelspänning är det fördelaktigt att använda sig av en trefasig diodlikriktare (fullbrygga) då denna har mindre rippel på utgående ström och spänning samt klarar av att hantera högre effekt. En ideal trefasig diodlikriktare återfinns i Fig. 5. Fasspänningen kommer att likriktas av diodbryggan och medelvärdet av den
resulterande likspänningen ges av , =1,35 ·
ä . Observera att detta endast gäller fallet för
konstant likström . Strömmen genom fullbryggan kommer inte att ha sinuskaraktär då endast en av de övre dioderna kan leda ström vid ett givet tillfälle. Detta kommer att resultera i att diodlikriktaren sänder ut övertoner på det matande nätet. I det icke-ideala fallet tillkommer ledningsinduktanser i kretsen. Detta medför att strömmen och spänningen inte är i fas och att strömmen genom dioden hastigt kommer att återgå till noll när dioden backspänns. Detta kommer i sin tur medföra att fullbryggan sänder ut ytterligare övertoner på det matande nätet [11]. I praktiken vill man ha en närmare konstant utspänning och för att minska ripplet så kan en stor glättningskapacitans användas på utgången. Diodlikriktaren klarar endast av att transportera effekt i en riktning. Då det i framtiden kan bli vanligare med lokal generering som t.ex. solceller lämpar sig inte diodlikriktaren om man vill transportera effekt tillbaka till det distribuerande nätet.
Figur 5. Ideal trefasig diodlikriktare där betecknar fasspänningarna från det matande nätet, är den konstanta likströmmen och är den resulterande
likspänningen
B. Tyristorlikriktare
Diodlikriktare kan generellt sett ersättas av liknande konstruktioner där dioderna byts ut mot tyristorer, se Fig. 6. En tyristor fungerar i stora drag som en diod. Med hjälp utav en styrsignal kan tidpunkten när tyristorn börjar leda ström styras och den kommer sedan att fortsätta att leda tills strömmen återgår till noll. Genom att utnyttja med vilken fasförskjutning som tyristorerna tänds relativt växelspänningens (tändvinkeln) kan man påverka den erhållna likspänningens storlek. Precis som diodlikriktaren ger tyristorlikriktaren upphov till övertoner i det matande nätet [11]. Till skillnad från diodlikriktaren konsumerar emellertid tyristorlikriktaren en av tändvinkeln beroende reaktiv effekt som måste tillföras av det matande nätet. På samma sätt som diodlikriktaren kan en stor glättningskapacitans användas på utgången för att jämna ut spänningen. Till skillnad från diodlikriktaren klarar tyristorlikriktaren att transportera effekt i båda riktningar. Detta kräver emellertid omvänd polaritet på likspänningssidan, vilket innebär en avsevärd komplikation om effekt ska genereras till nätet.
Figur 6. Trefasig tyristorlikriktare där betecknar fasspänningarna från det matande nätet och är den
resulterande likspänningen
C. Andra topologier
Det finns också en rad olika självkommuterande likriktare (VSC, Voltage Source Converter) [12]. Dessa har stora likheter med tyristorlikriktare men istället för tyristorer används IGBT-switchar (Insulated Gate Bipolar Transistor) [11]. Fördelarna med att använda en VSC är att switcharna kan pulsbreddmoduleras (PWM, Pulse Width Modulation). Detta medför att man kan styra utspänningen till en önskad nivå och att denna får en väldigt jämn karaktäristik med en låg halt av övertoner med låga ordningstal. Nackdelen med denna teknik är att pulsbreddsmoduleringen av switcharna ger upphov till extra förluster. Vid varje switchningstillfälle förbrukas en viss mängd energi som omvandlas till värme i switcharna. Denna teknik används oftast då man har väldigt höga krav på den likriktade spänningen och på övertonshalten i det matande nätet [12].
Ett exempel på en pulsbreddsmodulerad likriktarbrygga är Viennalikriktaren [13]. Viennalikriktaren är en diodlikriktarbrygga med tre extra switchar och en extra kondensator på utgången, se Fig. 7. Switcharna består av fyra stycken dioder och en MOSFET. Fördelen med denna likriktare är att den inte är så känslig för störningar på den ingående sinusspänningen och att den har lägre förluster än en konventionell PWM-styrd likriktarbrygga. Precis som diodlikriktaren har viennalikriktaren enbart effektflöde åt ett håll.
Figur 7. Viennalikriktare där betecknar fasspänningarna från det matande nätet och är den
resulterande likspänningen
3.2 Omvandling
Ifall man använder en diodlikriktarbrygga och vill kunna reglera utspänningen eller om man använder någon annan teknik för likriktning och vill ha tillgång till en högre spänningsnivå måste man implementera någon slags omvandling i nätet. Omvandlare av olika slag dyker även upp i kombination med likriktare i t.ex. mobilladdare och datoradaptrar.
A. Transformatorn
Även om transformatorn ligger till grund för några av de problem som tas upp inom växelströmsnät så är det en väldigt tillförlitlig och beprövad teknik. En klar fördel med ett likströmsnät är att många små transformatorer, och därmed järnkärnor, skulle kunna tas bort på en lokal nivå. Trots detta kan en central transformator vara nödvändig för att kunna omvandla den matande spänningen. Extra viktigt är det i fallet med enkel diodlikriktarbrygga då man inte har någon möjlighet att styra den utgående likspänningen (till skillnad från andra likriktartopologier som nämns i Avsnitt 3.1). Den upptransformerande egenskapen kan också vara nödvändig om en tyristorlikriktare används och man vill ha en högre utspänning än vad som är möjligt från det ursprungliga matande nätet. En fördel med transformatorn är också att den klarar av att transportera effekt i båda riktningar samt att den agerar galvanisk isolation mot det matande nätet.
B. Nedtransformerande likspänningsomvandlare
Det finns många utföranden på effektelektroniska likspänningsomvandlare men en enkel krets vid omvandling till lägre spänning är en så kallad nedtransformerande likspänningsomvandlare, se Fig. 8. + - - + L C Ud U0Figur 8. Nedtransformerande likspänningsomvandlare med induktansen L och kapacitansen C. är inspänning och är den nedtransformerade
utspänningen
Då switchen är till kommer ström att vandra till lasten som är ansluten vid potentialen . När switchen slås från kommer ström fortfarande flyta p.g.a. induktansen L. Med hjälp av dioden kommer strömmen att kunna ”frihjula” i kretsen. En del av denna ström kommer även att vandra genom lasten. Spänningen kommer att vara tidsmedelvärdet av den spänning som ligger över kretsen under en period d.v.s. tiden mellan att switchen slås till, slås av och slås till igen. Kapacitansen C utjämnar spänningsrippel på utgången [11].
4. SPÄNNINGSNIVÅ 4.1 Nulägesbeskrivning
All hushållsutrustning i ett svenskt hem är anpassad till antingen en- eller trefas växelspänning. Resultaten erhållna i Avsnitt 2.1 pekar på att en likspänningsnivå på 230 V skulle vara lämplig vid en övergång till ett likströmsnät då driften hos både resistiv och effektelektronisk utrustning tycks vara opåverkad. En högre spänningsnivå skulle innebära lägre strömmar vilket är önskvärt då det medför mindre ledningsförluster. En lägre ström skulle också ställa lägre krav på brytarna. Däremot skulle man vara tvungen att byta ut mycket utrustning som är anpassad till 230 V. I ett modernt hem finns det dock en hel del lösningar beroende av lägre likspänningsnivåer än 230 V. En enkel mobilladdare levererar allt från ca 5 till 12 V. Nätaggregatet i en stationär dator omvandlar den ingående växelspänningen till flera spänningsnivåer på t.ex. ±12 V, 5 V och 3,3 V. En annan vanligt förekommande lokal likriktarkomponent är nätadaptern till bärbara datorer. Dessa tillverkas enligt ett flertal standard och kan ha väldigt varierande utspänning beroende på tillverkare.
4.2 Förslag på nätspänningar
Vid en övergång till likspänning kan nätet utnyttjas på olika sätt beroende på hur mycket av utrustningen i hemmet som anpassas till det nya nätet. Nedan följer tre förslag på hur övergången skulle kunna se ut.