Vaihtovirta ja tasavirta - nykypäivä ja historiallinen tausta
Yleiseen sähkönjakeluun käytetään nykyisin vaihtovirtaa. Tähän on muutama hyvä peruste:
1. Ensinnäkin sähkömagneettinen induktio tuottaa kaikissa pyörivissä generaattoreissa vaihtojännitettä tasavirtakoneissakin.
2. Vaihtojännitettä on helppo muuntaa muuntajalla sähkönsiirron ja jakelun kannalta sopivalle jännitetasolle. Kaukovoimansiirrossa käytetään Suomessa esim. 400 000 V:n jännitettä, kun taas kotitalouksissa sovelletaan tähän verrattuna tehollisarvoiltaan vaatimattomia 400 V:n ja 230 V:n jännitteitä. Siirtoverkossa on monta muuntajaa matkalla generaattorilta kuluttajalle. Siirtoverkon tavallisia jännitetasoja ovat 400 kV, 220 kV, 110 kV, 20 kV ja 10 kV. Jakelussa käytetään 400 V:n jännitteen lisäksi 690 V:n jännitettä ja uutuutena 1000 V:n jännitetasoa.
3. Vaihtovirran katkaiseminen vikatapauksissa on helppoa verrattuna tasavirran katkaisuun.
Vaihtovirta
230 V:n verkkojännitteen jakso viidenkymmenen hertsin taajuudella kestää 20 millisekuntia, ja jännitteen amplitudi on 325 V. Miksi viidenkymmenen hertsin taajuuteen on päädytty, lienee osittain hämärän peitossa. Voisi kuvitella, että ensimmäiset generaattorinrakentajat ovat päätyneet sattumalta suurinpiirtein tällaiseen taajuuteen. Kaksinapaisen 50 Hz:n tahtigeneraattorin kätevä pyörimisnopeus on 3000 kierrosta minuutissa. Sadan hertsin tavoitetaajuus vaatisi kaksinapaisen koneen pyörimisnopeudeksi 6000 kierrosta minuutissa, mikä on monille suurille koneille jo liian suuri nopeus.
Nykyisin suurimmat nelinapaiset turbogeneraattorit pyörivät 1500 kierrosta minuutissa tuottaen 50 Hz:n jännitettä. Tällaisten koneitten kehänopeus voi nousta 150 metriin sekunnissa, mikä on selvästi roottorimateriaalien kestokyvyn äärirajoilla. Nopeutta ei siis voisi nostaa. Napalukua ja taajuutta toki voisi nostaakin, jos se olisi järkevää.
50 Hz on jakeluverkon taajuudenkin kannalta melko kätevä. Tällä melko alhaisella taajuudella siirtojohtojen induktiiviset ja kapasitiiviset virrat voidaan pitää hallinnassa. Samalla voidaan synkronisten siirtoverkkojen kooksi saada järkevä reilun tuhannen kilometrin halkaisija. Sähkö näes kulkee ihmisen rakentamilla aaltojohdoilla melko hitaasti esim. kaapeleissa noin 150 000 km sekunnissa. Tällä nopeudella aalto etenee puolijakson aikana 1500 km. Ilmaeristeisillä johdoilla sähkö kulkee kuitenkin tätä nopeammin, mutta ei sentään saavuta valon nopeutta. Valon nopeudella 50 Hz:n taajuudella puolijakson aikana sähkö etenee 3000 km. Tätä silmälläpitäen synkronisten alueiden koko ei voi olla kovin suuri, sillä synkronisen alueen ideana on, että kaikkialla sen alueella jännite olisi suurinpiirtein samanvaiheista. Esimerkiksi pohjoismaiseen yhteiskäyttöverkkoon kuuluvat Suomi, Ruotsi, Norja ja Tanska, jotka muodostavat synkronisen sähköverkkoalueen. Yhteydet muihin synkronisiin alueisiin on hoidettava tasasähkön avulla.
Taajuuden standardilaatu Suomessa määritellään niin, että 95 % verkkotaajuuden mittaustuloksista osuu välille 49.5 … 50.5 Hz. Lisäksi taajuuden poikkeamaa 50 Hz:stä integroidaan ajan suhteen jatkuvasti ja integraali pyritään pitämään nollassa. Tämä takaa, että verkkotaajuudella käyvä synkronimoottoriin perustuva kello pysyy ajassa.
USA:ssa, missä kaikki on suurempaa, on taajuudeksikin valikoitunut 60 Hz. Perustelut lienevät yhtä hämärät kuin 50 Hz:n tapauksessakin. Tällaisesta taajuudesta on kuitenkin se etu, että muuntajista ja moottoreista tulee periaatteessa hieman pienempiä kuin käytettäessä 50 Hz:n taajuutta. Siirtoverkossa taasen induktanssien ja kapasitanssien vaikutukset korostuvat.
Euroopassa on muutamin paikoin käytössä myös 16 2/3 Hz:n taajuus, jota käytetään vanhoissa rautatieverkoissa mm. Saksassa. Tämän taajuuden perusteluina on käytetty väitettä, jonka mukaan rautateiden varhaishistoriassa käytettyjen kommutaattorisarjakoneiden virran kommutointia ei saatu tarpeeksi hyvin tapahtumaan 50 Hz:n taajuudella, joten päätettiin pudottaa taajuus kolmasosaan pyörivien muuttajakoneiden avulla. Tällaisessa systeemissä esim. kaksitoistanapainen tahtimoottori pyrittää nelinapaista tahtigeneraattoria, joka syöttää rautatien ajojohdinjärjestelmää.
Tuossa yllä mainittu kommutointiongelma on jokaisen kotiaskartelijan havaittavissa vaikkapa verkkokäyttöistä porakonetta käytettäessä kommutaattori kipinöi. Nykyajan porakoneissa on käytössä tuo sama moottorityyppi kommutaattorisarjakone joka on oikeastaan tasavirtamoottori ja toimii siten hieman heikosti vaihtosähköllä syötettynä.
Tasavirta
Tasavirta oli 1900 luvun alussa kilpaileva jakelutekniikka vaihtovirralle. Esim. Edison suosi tasavirtajärjestelmiä, kun taas Westinghouse edisti vaihtosähkön käyttöä sähkönjakelussa. Kuten tiedämme Westinghousen tekniikka voitti käytännöllisyytensä vuoksi.
Tasavirran katkaisu on vaikeaa
Tasajännite on melko vaarallista vikatapauksissa. Sen katkaisu on nimittäin erittäin vaikeaa, kun taas vaihtovirta katkeaa kätevästi virran luontaisissa nollakohdissa. Tasavirran katkaisemiseksi on järjestettävä erittäin pitkä avausväli tai moninkertainen avausväli, jotta sammutuksessa väistämättä syntyvä valokaari jäähtyisi ja voisi sammua. Esimerkkinä virrankatkaisusta voisi mainita vaikkapa 400 V:n kontaktorin, joka pystyy hyvin katkaisemaan vaihtovirralla nimellisvirtansa, mutta tasajännitteellä aivan pienen murto-osan nimellisvirrastaan (esim. 400 V:n DC-jännitteellä alle 5 % nimellisvirrasta). Paitsi vaihtovirran katkaisuun soveltuu perinteinen sulake kohtalaisen hyvin myös tasavirran katkaisuun. Kun sulakkeen sisäinen valokaari sammutustapahtumassa jäähtyy sammutuskammion täytteenä olevan kvartsihiekan vaikutuksesta sammuu se helpohkosti.
Vaihtovirran hetkellisarvo noudattaa sinikäyrää 50 Hz:n taajuudella, joten jokaisen jakson aikana on kaksi virran nollakohtaa. Niissä on esim. sulakkeen helppo katkaista virta lopullisesti. Tasavirrassa ei nollakohtia ole, joten virrankatkaisu on erittäin vaikeaa.
Tasavirtaa sovelletaan nykyisin esim. kaukovoimansiirrossa. Vaihtosähkö ei nimittäin kulje kovin pitkiä matkoja johtimissa. Jos sähkövoimaa pitää siirtää yli 1000 kilometriä, on tasavirtasiirto usein vaihtovirtatekniikkaa parempaa. Tasavirtalinkkejä on käytössä mm. Suomen ja Venäjän sekä Suomen ja Ruotsin sähköverkkojen välillä. Suurimpia tasavirtayhteyksiä on yhteys Itaipun voimalaitokselta Brasilian sademetsien kautta asutuille seuduille. Tehoa siirretään noin puolet Itaipun 12600 MW:n tehosta Brasilian puolelle ja toinen puoli Paraguayn puolelle. Brasilian puolen sähköenergiasta siirretään osa 600 kV:n tasajännitteellä ja osa 500 kV:n 60 Hz:n vaihtojännitteellä. Paraguay käyttää osuutensa 50 Hz:n taajuisena vaihtosähkönä.
Itaipun turbiinin juoksupyörä, katso http://www.itaipu.gov.br/
Paitsi suurvoimansiirrossa tasavirtaa käytetään lähes kaikissa elektroniikkalaitteissa. Esimerkiksi tietokoneet toimivat tasajännitteellä. Prosessoreiden virrankulutus voi nousta huimiin arvoihin. Nykyaikainen pentiumprosessori voi ottaa jopa lähes sadan ampeerin virtapiikkejä.
Teollisuuden elektronisissa laitteissa tasavirtaa sovelletaan esimerkiksi taajuudenmuuttajien välipiirissä. Taajuudenmuuttajissa vaihtojännite ensin tasasuunnataan tasajännitepiiriin, mistä tasajännite edelleen vaihtosuunnataan moottorille. Tasavirtaa esiintyy myös erilaisissa hitsauskoneissa, galvanointilaitoksissa ja monissa kuluttajalaitteissa pienellä jännitteellä toimittaessa.
Teollisuuden taajuudenmuuttajakäytöistä on mahdollista rakentaa ns. linjakäyttöjä, joissa useat vaihtosuuntaajat kytketään samaan tasajännitekiskostoon. Tällainen järjestelmä mahdollistaa myös moottorien hyötyjarrutukset ilman verkkovaihtosuuntaajia. Tasajännitejakelun lisäetuna on, että sitä käytettäessä johdinmetallia kuluu vähemmän kuin vaihtojännitteellä toimittaessa. Saattaa ollakin, että vaihtovirtatekniikan valta-asema sähkönjakelussa hieman horjuu tulevaisuudessa tasajännitejakelun eduksi.
Vaconin pieni taajuudenmuuttaja. Sen tasavirtavälipiirin kondensaattoreihin varastoidaan energiaa tasajännitteellä. Tasajännitteestä tuotetaan lopuksi vaihtosuuntaajan avulla vaihtovirtaa moottorille. Tasavirta ja vaihtovirta ovat siis läsnä samassa laitteessa.
Teollisuuden taajuudenmuuttajakäytöistä on mahdollista rakentaa ns. linjakäyttöjä, joissa useat vaihtosuuntaajat kytketään samaan tasajännitekiskostoon. Tällainen järjestelmä mahdollistaa myös moottorien hyötyjarrutukset ilman verkkovaihtosuuntaajia. Tasajännitejakelun lisäetuna on, että sitä käytettäessä johdinmetallia kuluu vähemmän kuin vaihtojännitteellä toimittaessa. Saattaa ollakin, että vaihtovirtatekniikan valta-asema sähkönjakelussa hieman horjuu tulevaisuudessa tasajännitejakelun eduksi.