Energibesparing kontra inköpspris.

På marknaden för induktiva lindade produkter börjar en trend växa fram som går stick i stäv med energibesparingskoncepten i alla större länder – lindningar av aluminium istället för koppar. Den stora fördelen, förutom den lägre vikten, är det jämförelsevis mycket lägre inköpspriset för aluminium jämfört med koppar.

Särskilt i tider med en stark franc har många maskin- och anläggningstillverkare bara ögonen på priset. Energieffektivitet får inte vara av intresse under prispress, annars sparar man i fel ände. Inom många branscher, t.ex. privata medier och hushållsapparater, kämpar man för hög effektivitet och så låga standby-förluster som möjligt. Inom industrisektorn glöms dock ”energihantering” alltför ofta bort. Exempel på detta är för små tvärsnitt av ledningar, billiga brytare/kontakter eller ”billiga” induktiva lindningsartiklar som transformatorer, drosslar och motorer. Här är det ofta värt att ta en närmare titt på förlusterna.

Lägre värmeförluster minskar konstruktionen
Detta beror på att de direkta energibesparingarna ofta kompenserar för det högre initiala priset inom 12 till 24 månader. Dessutom är indirekta energibesparingar möjliga i rum eller styrskåp om de måste ventileras eller luftkonditioneras. Tack vare lägre värmeförluster kan ytterligare byggnadsvolym och kostnadsbesparingar uppnås. I princip kan förlusterna för ”billiga” induktiva lindningsvaror idag halveras med ekonomiskt ”normala” medel utan att priset behöver fördubblas.

Med undantag för silver har koppar den bästa ledningsförmågan med γ = 56. Aluminium har däremot bara γ = 36. Aluminium följer därmed med ett gap på cirka 35 procent. Koppar är t.ex. den bästa ädelmetallen och aluminium ”bara” det näst bästa av de tekniskt och ekonomiskt användbara ledarmaterialen. Efter det, inget mer. Alla andra metaller kan inte betraktas som ledare för elektricitet, och legeringar har i allmänhet en betydligt lägre ledningsförmåga än rena metaller. Silver eller guld utesluts helt och hållet på grund av det höga priset. Aluminium är en lättmetall med endast ca 35 procent av kopparns densitet.

Aluminium orsakar lägre strömdensitet
För att kunna linda en likvärdig transformator med aluminium när det gäller effektivitet, måste strömtätheten minskas med cirka 35 procent jämfört med koppar. Detta kan uppnås genom att förstärka ledarnas tvärsnitt på lämpligt sätt. Detta innebär att plåtpaketen och alla mekaniska komponenter måste förstoras. Volym, vikt och materialåtgång för hela transformatorn ökar i motsvarande grad. Denna situation kan mycket väl också leda till en prisökning. Besparingarna på ledarmaterialet kompenseras delvis av detta. Men för att spara kostnader byggs transformatorer med många kylkanaler för att få temperaturen under kontroll. Många aluminiumtransformatorer måste idag ha isoleringsklass F, H eller mer eftersom värme är ett problem. Precis som att ju högre isoleringsklass, desto bättre transformator.

Ledarmaterial av aluminium jämfört med koppar
Aluminium är ganska segt, men inte lika segt som koppar. Den magnetomekaniska belastningen på de enskilda varven i en lindad spole ökar enormt med strömtätheten och strömstyrkan. Du måste föreställa dig att spolen i 50 Hz AC-nätet är laddad med en 100 Hz klocka. Lindningen blåser bokstavligen upp i processen. Den maximala tryckspänningen på ledaren kan vara flera N/mm2 även för små transformatorer. Detta deformerar ledningens tvärsnitt och kan i värsta fall till och med leda till att den går av vid en långvarig kortslutning. Detta tas ofta inte hänsyn till vid dimensioneringen av transformatorn. Detta problem ökar med aluminium jämfört med koppar. Vid 100 Hz börjar dessutom de enskilda lindningarna att gnugga mot varandra, vilket är skadligt för isoleringen. Felet förblir obemärkt tills lindningen drabbas av kortslutning, vilket kan ta flera år.

Mekanisk friktion har en inverkan på lindningen
I händelse av kortslutning smälter förträngningen igenom, vilket i sin tur kan ske mycket lättare än med koppar på grund av aluminiumets lägre smältpunkt och värmeledningsförmåga, för att inte tala om tendensen att bilda sådana förträngningar, och en ljusbåge bildas, vilket utgör en akut brandrisk. I förhållande till volymen är även värmekapaciteten lägre. Med α = 23,1 har aluminium en cirka 30 procent högre termiskt beroende utvidgningskoefficient än koppar med α = 16,5. Det innebär att aluminium expanderar mer vid uppvärmning, vilket kan leda till att lindningen förlorar mer styrka och att mekanisk friktion får större inverkan. Det finns dock en liten fördel här: i helt inkapslade transformatorer med epoxiharts har aluminium ungefär samma utvidgningskoefficient som själva epoxihartset. Detta kan leda till lägre interna lindningsspänningar vid enorma temperatur- och belastningsvariationer i F- eller H-isoleringssystemet. När aluminium exponeras för luft täcks det snabbt av ett hårt och motståndskraftigt oxidskikt som inte leder elektricitet och därför försvårar kontakt. Övergångsresistanser kan uppstå, vilket i sin tur kan leda till brandrisk.

”Mekaniskt” är aluminium problematiskt
Aluminium har en tendens att flöda under lång tid. Materialet ger med tiden vika under starkt tryck. På så sätt kan initialt fasta anslutningar gradvis lossna. Därför bör aluminiumledarändar alltid kontaktas med hårt åtdragna skruvkontakter och fjäderbrickor, men just dessa är ofta fortfarande inte hållbara. I princip är fjäderkontakter en lösning, men sedan är oxidskikten ett problem igen. I båda fallen sker en långsam ökning av kontaktmotståndet och därmed en brandrisk. Det enda som hjälper här är lödning eller svetsning över ett stort område. Elektrokemisk kontaktkorrosion mellan aluminium och koppar kan dock inte försummas. Aluminiumtransformatorer ansluts ofta felaktigt till kopparkablar på grund av okunskap. Den enda rent tekniska aspekten av aluminium skulle annars vara vikten med en densitet på ~2,7 g/cm³ jämfört med koppar med ~8,93 g/cm³, där utrymmesbehovet inte är ett kriterium, men desto mer vikten. Detta är relevant för luftledningar eller, till exempel, transformatorer, som måste vara mycket lätta.

Slutsats
De som inte bara vill ta hänsyn till det helt dominerande priset, utan även till de livslånga kostnaderna, bör behandla detta ämne mer intensivt. Hela systemets effektivitet när det gäller materialval kommer att vara avgörande för energieffektiviteten i framtiden, om inte bara ekonomiska, geometriska eller funktionella begränsningar kräver speciallösningar. ”

Författare:
Frank Hanisch, civilingenjör i elektroteknik,
Chef för avdelningen för teknik och utveckling på Bächli AG