2019年7月31日 星期三

「電流大戰」的一百多年後

電影「電流大戰」上映快兩週了,應該已經有一些人看過了這部電影,這篇就來電流大戰的一百多年後,交流電與直流電到底怎麼發展,不會爆電影的雷(如果有也是預告片就有的),請安心網下看。

交流電最廣為人知的優點
先來複習這個最基本的,說到今天會採用以交流電為主的電力系統,懂一點電學的人十之八九都會提到因為交流電變壓方便、可以長距離傳輸。這是因為電磁效應使然,交流電的電流方向與磁場方向都隨著周波不斷變化,因此可以使用兩組線圈製作出構造簡單又能應付大功率的變壓器。有了變壓器,可以輕易地從發電設備端將電壓升高以減少長距離傳輸的耗損,道了接近用戶端再降低為合適的電壓。除此之外,某些特殊的長距離傳輸場合(例如部分的電氣化鐵路饋電系統)也可以使用升壓變壓器(boost transformer)維持電壓穩定。

直流電在電子電路的觀點上,也可以使用電阻、電容的效應製作出降壓或升壓電路,在生活周邊的電子產品上也不難見到;但這類的應用多半是針對特定元件特性所產生的「客製化」電路,較不易在功率、負載變化大的場合下應用。

什麼是「DC直流變頻」
如果您知道電流大戰的故事,也有注意到近年來許多家電廣告都會強調DC直流變頻能夠省電,那麼給您拍拍手,您應該算是對生活科技比較有敏感度的人。生活中會強調使用直流變頻的家電,大都是冷氣機、冰箱、洗衣機...,或是電梯等有大功率馬達又常常會使用的產品。這些變頻電器產品會將輸入的交流電,經過整流器轉換成直流電,再經由可以調整電壓、頻率的變頻器(所以叫作直流變頻,有些英文的廣告或銘板會寫DC Inverter),產生適當電壓、頻率的交流電給馬達,達到最佳能源效率。

值得一提的是,變頻控制應用於轉速、負載會有變化的場合才會顯現出能源效率的提升,如果是固定轉速、固定負載的場合,那麼直接選用適當的馬達以電網供應的固定頻率交流電驅動即可。

其實按照發展脈絡,變頻家電應該是比較後面的,但是為了避免有些人看到這邊就按下上一頁,所以先把大家精常聽到的東西拿出來,想知道為什麼這些標榜直流變頻的家電會比較省電的話,就繼續看下去。

馬達(電動機)驅動
還記得以前國小還國中時,有自然科老師說過「馬達一定要用直流電驅動」,的確...就一般中、小學生適用的教材來說,最基本的直流馬達確實是用來解釋馬達原理的好教材。但其實自從尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)於1887~1888年間成功組裝並示範了交流電馬達後,交流電馬達就登上了舞臺。

如果還記得小學、中學時當作教材(甚至是玩具四驅車)的直流馬達,應該會記得有一組電刷/電梳用來連接電源與馬達轉子上的線圈,使線圈在轉動時能夠一直產生適當的磁場方向來推動馬達。電刷/電梳使用過程中的磨損,提高了馬達的維護成本,也影響了馬達的使用壽命。

另一個的原因是直流馬達的效率,電刷與電梳的摩擦會造成一定程度的能量耗損;而直流馬達只能由電壓控制,當電流透過電刷流至線圈時,固定的直流電壓配上固定的電阻,產生的就是固定的電流、固定的磁場;沒有辦法根據轉子與定子的角度調整合適的磁場強度,造成電能的浪費。

而交流電馬達可以做到「無刷」(沒有電刷)的設計,減少了運轉的磨損與噪音;而經過適當設計的交流電馬達,其轉子的角度和週波向位角是可以互相配合的,減少電能浪費,擁有較好的能源效率。交流電馬達通常是將電源連接在定子的線圈上,而根據轉子的種類可以分為感應式馬達(induction motor)與永磁馬達(permanent magnet motor);感應式馬達的轉子一樣是線圈,但透過定子的磁場變化產生感應電流與磁場來推動轉子,永磁馬達的轉子為永久磁鐵組成,直接和定子線圈的磁場產生交互作用讓馬達轉動,可以達到非常高的能源轉換率。

功率大的馬達,自然定子與轉子間的磁力作用也要夠大。早期製造工藝還沒那麼進步的時候,一些如鐵路車輛、電動車、電梯牽引...等等應用,比較多使用直流電馬達,因為若將定子與轉子都使用通電的線圈,很容易就可以產生極大的磁場作用力。而隨著科技發展,交流感應式馬達,甚至是交流永磁馬達都開始可以應付大功率應用場合。因此許多電梯、電動車、電動機車、油電混合車等都開始使用永磁馬達,甚至在鐵路電聯車組、電動公車等也開始有永磁馬達的應用。

至於直流無刷馬達是什麼東西?常見到在電腦的散熱風扇、電鑽等使用直流電,或是傳統上使用直流馬達的應用場合這樣寫。其實直流無刷馬達的本體也是交流馬達,輸入的直流電經過一個簡單的變頻電路驅動。

說到變頻器
交流馬達能有今日的各種應用,變壓變頻控制(variable-voltage variable-frequency, VVVF)可以說是功不可沒,以最適合的電壓跟頻率驅動馬達,可以達到最好的輸出效果與能源效率。而變頻器(inverter)有許多不同的講法,諸如變流器、換流器、逆變器等,指的都是能將輸入的直流電源轉換為指定頻率交流電的裝置。除了各種交流電馬達、變頻家電外,比較高級的在線式不斷電系統(UPS)、穩壓器(精密儀器常用)等也會使用到,將一般的交流電源先轉換成直流電,再轉換成交流電,能夠阻隔輸電網路中的突波與其他不穩定的電壓、頻率變化。

要將直流電轉換為交流電,或是轉換交流電的頻率,最早的方式是用馬達帶動交流發電機並控制其轉速,產生特定頻率的交流電,再透過變壓器轉換成需要的電壓。如果有人看過早期供應給大型設施的不斷電系統、穩壓器,甚至是早期鐵路車輛用的三相交流發電機(MA/MA-set),都是使用這種做法。而隨著電子技術的發展,靜態的變頻器也能做到高電壓、高功率輸出,現在已經較少見到以馬達帶動發電機的做法了。

靜態電子元件組成的變流器還有一個好處,可以快速調整輸出,達到以變頻變壓控制馬達的需求,對於電動車輛、電梯...等等轉速、負載變化大的運用相當重要。靜態變流器使用的元件是可以應付高電壓、高功率的半導體元件,藉由將電路快速地開啟或關斷模擬交流電的波形。標準的交流電波型是正弦波,有一些較便宜的不斷電系統會產生方波、圓波等波形;馬達、發電機的轉子、定子產生的磁場交互作用就是正弦波,因此要驅動交流馬達的變頻器,勢必要打得出模擬的正弦波,再根據馬達的轉速、負載狀況進行微調,得到最佳化的效率。

前面講到在固定轉速、固定負載的應用場合,可以直接使用電網提供的固定頻率交流電驅動,因此很多這類大功率的應用場合是直接使用電網的三相交流電驅動馬達。但有時候會見到大功率且轉速、負載也很固定的場合使用變頻器驅動馬達,主要的用意是修正功率因數,因為馬達的線圈本身是一個很大的電感性負載,可能產生電壓、電流變化不同步的現象,使得交流電的功率因數變差、輸電線路電壓不穩定(突波的成因之一),使用變頻器或專用的功率因數修正電路都能加以解決。(這有點難,看不懂就算了...XD)

軌道運輸的供電系統
回到輸送電力這件事吧!軌道運輸(傳統鐵路、高速鐵路、捷運、輕軌電車)是一個很好的範例,電氣化的軌道運輸系統使用軌道上方的電車線或是軌道旁邊的第三軌供,將電網的電力供應給列車。現代的電力車輛使用變壓變頻控制的交流馬達驅動,所以原則上,車上的機電系統要的是直流電。但是供電方式卻是直流、交流都有,為什麼會有這樣的差異呢?

這其實要看使用的場合,如果是如同捷運、地鐵或輕軌等,主要在市區行駛、站間距離短、常常會頻繁加減速的系統,較低電壓的直流電是比較適合的。因為車上可以不必有將高壓電降壓的變壓器,也不必有整流器,可以大幅減輕車子的重量,在頻繁加減速的場合中,減輕車重也可以省下很多的電力消耗。而且因為在市區行駛、車站密集,也有很多的空間可以放置道旁的電力設備,將電網的高壓電轉成較低電壓的直流電,解決輸送耗損的問題。因此臺灣目前大多數的捷運系統使用的是750V直流電,日本也有不少系統使用1,500V直流電。

而臺灣的電氣化鐵路、高速鐵路,還有世界上許多地區的高速鐵路系統,使用的就是電壓高上許多的25kV (25,000V)交流電,這是考量站間距離很長、可能經過比較荒涼的地方,以高壓交流電輸送可以減少耗損,列車接到電後會先降壓、整流再使用。同時,在布線上也會考量利用電磁特性減少耗損與突波干擾、維持長距離輸電的品質。

也許還有些人會想到電動車充電,目前制定的電動車充電插座規格中,有分一般交流電充電跟快速直流電充電。而為電池充電需要的是直流電,在連接一般的交流電充電時,會利用車上提供給減速時動能回充(其實就是把馬達變發電機)的整流器模組轉成直流電後為電池充電;而快速充電選擇直流電的原因是可以直接接到電池(但仍然會有保護機制),讓車上省去一個可能使用率不高的高功率整流器。

高壓直流輸電
雖然說長距離輸電應該使用交流電,但近幾年來偏偏出現了一個新玩意兒----高壓直流輸電(HVDC, high-voltage direct current),而且就是用來解決長距離的傳輸。

高壓直流輸電是以比一般高壓交流電系統更高電壓的直流電,在轉換站(converter station, 可以當成一種特殊的變電站)間輸送。使用直流電的好處是配線可以比起交流電精簡許多,建設長距離線路時能夠減少工程成本。另一方面,交流電在長距離大量輸送時,集膚效應(skin effect,又稱趨膚效應)造成的影響也會變得明顯,電流會較集中於導線表層,可以透過配線解決,但也會增加成本;相較之下高壓直流輸電就可能有較好的效益。

雖然直流電的轉換過程比較麻煩,會耗費較高的成本,但長距離、大量電力傳輸帶來的效益足以彌補。這樣的方式僅限於轉換站對轉換站間的大量電力輸送,轉換站接收後仍然會再轉成交流電併入當地電網,一樣繼續使用交流電的優勢。

目前在全球各地,已經有一些長距離(甚至是跨海)輸電線路使用高壓直流輸電技術;高壓直流輸電還有一個好處是能夠連接不同頻率規格的電網,只要轉換站負責處理連接當地電網的正確頻率就好,所以如果有一天臺灣(60Hz)跟對岸(50Hz)的電網要連接起來的話,高壓直流輸電是能夠應付的。

寫在落落長一篇之後
其實看過「電流大戰」,會發現跟「以核養綠」有種神奇的既視感。在「電流大戰」那個真實發生過的時空背景,有人指責交流電容易電死人,會讓家人、小孩身處於危險之中;但實際上電就是電,沒有誰家的電比較好、誰家的電比較邪惡,正確使用就能帶來好處,沒有正確使用的話,什麼電都會有危險。很慶幸在那之後的幾十年,人類就學聰明了,今天交流電、直流電各有適用的場合,組合在一起就為我們帶來了更好的生活。

「以核養綠」這件事情也是一樣,其實沒有必要跟電流大戰一樣拿一些不當使用的例子來黑某樣技術。能源就是能源,不管使用哪一種能源,都會耗用地球上的資源、在地球上留下一定的足跡,而我們只有一個地球。不論是核能還是其他再生能源,正確使用都是對環境有好處,不正確使用都有可能危害環境甚至帶來危險;如果適當地結合核能和其他再生能源,能夠提供最佳的低碳潔淨能源方案,一些先進國家也正在做了,這就是「以核養綠」。

現在,我們不一定有幾十年能讓大家慢慢認清這些事情,聯合國IPCC計算的結果是我們應該在2030年前將地球平均溫度上升幅度控制在攝氏1.5度內。所以,在此呼籲 ---- 用認真、開放的態度誠實面對科學吧!然後...還沒簽以核養綠二部曲公投連署的,如果您關心地球、關心我們自己和未來世世代代的生存環境、希望我們活在一個科學的時代,那麼...趕快簽吧。

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