觀點投書:跨越三個世紀的電流大戰

2020-01-04 05:40

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牽涉到輻射與核能的議題,幾乎沒有理性討論的空間。(資料照,12923@pixabay)

牽涉到輻射與核能的議題,幾乎沒有理性討論的空間。(資料照,12923@pixabay)

相信許多人都同意「電流大戰」是2019年在臺灣上映的電影中,相當精彩、值得一看的作品,不過就科普推廣來說,好像還少了一點點。而雖然130多年後的今天,我們的生活可以說是靠電力與相關的能源應用驅動著,但仔細觀察會發現,原來這場戰役,似乎還沒落幕,甚至還多了新戰場。趁著新年到來、能源議題也跟著選戰熱鬧起來的這時候,來一次補完吧!

既然交流電系統被廣泛使用了,為什麼很多家電要強調「直流變頻」

如果您看完電流大戰後第一個想到的是這個問題,那麼恭喜,您應該屬於認真過生活的類型。其實所謂的「直流變頻」家電,代表的正是交流電在馬達(電動機)驅動用途的好處。

尼古拉‧特斯拉可以說是19世紀的發明家中,最為悲劇性的人物,創造無數偉大的發明,卻被世人埋沒...(圖/取自youtube)
尼古拉‧特斯拉是19世紀的發明家,創造無數偉大的發明。(資料照,截自youtube)

自尼古拉‧特斯拉於1887~1888年間演示了可實用的交流馬達後,隨著技術演進,愈來愈多應用場合選擇使用交流馬達。和直流馬達比起來,交流馬達沒有電樞與電刷間磨耗的問題,且交流電正弦波和磁場旋轉狀態正確匹配的話可以達到很好的能源效率。「變頻」就是這個讓交流電波形與磁場旋轉匹配盡量最佳化的馬達控制手段,透過不同的電壓與頻率組合,可以讓馬達對於不同負載、不同轉速等狀況,都能有良好的運轉效率。

標榜「直流變頻」的家電,主要是將插座供應的交流電整流成直流電後,再由變頻控制器產生適當交流頻率、電壓以驅動馬達,藉以提升能源效率;順帶一提,有些標榜「直流無刷馬達」的產品,其本體也是自帶變頻控制器的交流馬達。值得注意是,「定頻」並不代表效率一定較差,而是最佳效率的轉速、負載區間很小;空調可能隨天氣狀況、室內人數與活動等不同有不同的運轉需求,洗衣機每次洗的衣服重量、水位也不盡相同,都適合使用變頻控制,而許多工業、大型建築機電設備等等應用場合,因為負載、轉速固定,還是會使用定頻運轉的馬達。

為什麼捷運用直流電,但高鐵用交流電

如果您會想到這邊,那麼相信您是對生活有著一定熱情的朋友。目前的電氣化鐵路、軌道運輸系統將電力供應到列車上的方式,確實是交流、直流皆有使用。但在驅動車輛的那一端幾乎都會使用到直流電,早期較常使用直流串激式馬達,隨著馬達製造與控制技術的進步,目前大多也和「直流變頻」家電一樣,使用變壓、變頻控制的交流馬達。

捷運、都會區軌道運輸系統考量了運行特性,選擇直接以直流供電;因為這類應用場合班次、車站密集、站間行駛距離短,所以會頻繁地加速、減速,列車本身的重量對於能源效率會有很大的影響。採用直流供電,電力自電車線或第三軌接取後可以直接用於驅動列車,省去在車上裝配大型變壓器與整流器的重量,對減輕車重、提升性能與能源效率非常有幫助。而且因為車站密集,有較多道旁空間設置相關供電設備,所以選擇較低電壓的直流電並不會造成太多額外的成本與耗損,目前臺灣的捷運系統便是以750V直流電為主。

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