När får elkraftstekniken äntligen lite respekt?

Elingenjörer får allmänt sett respekt från allmänheten men för mig verkar det som om vissa typer av elingenjörer får mer än andra. Konstruktörer av lågeffektsystem hedras av recensenter: ”Kan du fatta vad de har gjort, den fungerar i fler veckor på ett pyttelitet batteri!” Samma gäller för tekniker som gör det mesta av jobbet vid tangentbordet: ”Kolla in den tjejen, hon är kodare, så hon har sitt på det torra!”

Jag har en förkärlek för ingenjörer som jobbar med maskinvara (alltså kretsar) men jag förstår att ett projekt normalt kräver en bred uppsättning tekniska färdigheter. Så okej, jag ger mikroeffekts- och tangentbordsingenjörerna det erkännande de är värda.

Men det verkar finnas en hittills i stort sett ouppmärksammad klass med elingenjörer som får lite uppmärksamhet eller erkännande för de utmaningar de står inför: dem som arbetar med metoder med högre effekt över flera hundra volt och ampere och tiotals kilowatt. Vissa kan hävda att det beror på att dessa tillämpningar är en bra bit från allmänheten men så är inte fallet alls. Dessa högeffektstillämpningar är inte begränsade till sådana som ligger relativt långt bort från konsumenterna, till exempel industrimiljöer eller till och med kontaktledningar på 25 kilovolt (kV) för elektriska tåg.

Tänk på de elfordon som många konsumenter har haft direkt eller åtminstone indirekt kontakt med. Batteripaket för elfordon har en energikapacitet på mellan cirka 25 kilowattimmar och över 70 kilowattimmar, och dessa paket kan leverera 300 till 400 volt vid cirka 1 000 ampere (A) (de drivmotorerna kan ge upp till 300 hästkrafter (hk). Alla dessa siffror – energikapacitet, spänning, ström – betyder att elfordonets energipaket, omvandling, hantering och distribution är seriösa frågor när det gäller design, testning och underhåll.

Skillnaden mellan dessa designmiljöer handlar inte bara om råa siffror eller numerisk skalning. I stället är det ett helt annat tankesätt och en helt annan metod för att göra allt möjligt inom högeffektsvärlden. Inom lågeffektsdesign är det inte så svårt att prova en tillfällig åtgärd som att flytta och punktlöda en ledning eller köra ett snabbt improviserat rest för att kolla en idé. Men när du handskas med de högre effektnivåerna måste varje åtgärd planeras, simuleras, utvärderas, bedömas och dubbelkontrolleras innan något görs. Det finns en betydande mängd tätt lagrad energi som ska hanteras här.

Sedan finns också frågan om testning. Alla aspekter av att fastställa vad systemet gör och vilken påverkan ändringar har behöver en noga utarbetad testplan och anordning. Det finns ingen snabb klippning hos vissa digital voltmeter-ledningar till intressepunkter. Till och med ett rutinkrav som mätning av ström via en inlineshunt kräver noga övervägning av komponenter, gränssnittskrets, galvanisk isolering i många fall och till och med implementeringen av de fysiska anslutningarna.

Tänk på följande scenario: du planerar att använda ett shuntmotstånd för att mäta strömmen i en högströmsledare. Det är en välkänd metod men det finns hundratals ampere i ett elfordon, så du måste hålla värdet i shuntmotståndet så litet som möjligt för att minska både IR-inducerat spänningsfall och I²R-värmeavledning för avkänningsresistorerna.

Lyckligtvis finns det standardshuntar tillgängliga med extremt låga motståndsvärden. Till exempel har Vishay Dale WSBS8518-serien standardmärkvärden på 100, 500 och 1 000 µΩ (det är bara 0,1, 0,5 och 1,0 mΩ) (figur 1). Shunten, en ”metallrem” med bedrägligt vanligt utseende som är cirka 85 mm lång och 18 mm bred, utgörs av en metallegering av nickel och krom med ett så lågt temperaturkoefficientmotstånd som ±10 ppm/°C.

Figur 1: Det här shuntmotståndet med mikroohmintervall (µΩ) må se enkel ut jämfört med andra elektronikkomponenter, men är en noga konstruerad och tillverkad metallegering i nickel och krom med extremt låg temperaturkoefficient och Kelvin-kontakter. (Bildkälla: Vishay/Dale)

Men hur ansluter du fysiskt detta motstånd till lastledningar? Till och med några få milliohm (mΩ) kontaktresistans avleder ström och sänker spänningen, så monteringen av shuntanslutningarna är ännu ett designproblem. Och du behöver fortfarande ansluta spänningsavkänningsledningarna. Som tur är har just denna shunt integrerade Kelvin-kontakter för att göra den uppgiften något lättare, men många shuntar har inte det.

Det är inte alla ”kraftingenjörer” som får lite respekt, utan jag tror att det är mest dem som sysslar med elkraft som har det problemet. Med allt intresse för 50^-årsjubileet för Apollos månlandning var det mer än fantastiskt att se den uppskjutningskraft som utvecklades av de fem F-1-raketmotorerna som drev det första steget för Saturn-uppskjutningsraketen (figur 2).

Figur 2: Det finns mindre synlig kraft och mycket synliga kraft – Saturn V-uppskjutningsraketen med dess fem F-1-motorer tillhör definitivt den senare kategorin. (Bildkälla: NASA)

Siffrorna säger allt men är ändå svåra att begripa: Saturn V:s första steg bar 770 000 liter (203 400 gallon) flygfotogenbränsle och 1,2 miljoner liter (318 000 gallon) flytande syre. Varje F-1-bränslepump drevs av en 55 000 hk turbin för att ge cirka 60 000 l (15 000 US gal) flygfotogen per minut medan oxidationspumpen gav 94 00 l (25 000 US gal) flytande syre per minut. Varje turbopump fick även tåla ingångsgas vid 820 °C (1 500 °F) till flytande syre vid −18 °C (−300 °F). Vid uppskjutning genererade de fem motorerna 3,4 miljoner kilo kraft.

Tänk bara på de fixturer som behövs för att hålla de F-1-motorerna på plats i teststativet eller de fästklämmor som häll Saturn på rampen efter tändning medan raketmotorerna kom upp till full kraft. De behövde inte bara hålla tillbaka miljontals kilon drivkraft, utan även släppa smidigt och konsekvent trots avgasmiljön (och hur testar man det?).

Jag tror att den mycket synliga kraften hos en raket, oavsett om uppskjutningen lyckas, ger raketingenjörerna den respekt de förtjänar. Men eftersom elenergi är mindre ”synlig” får elkraftsingenjörer inte den respekten. De enorma raketavgaserna gör allt så verkligt, medan elektroner i ett batteri är tyst vid normal drift och är därför ”ingen stor grej”.

Kommer elingenjörerna som hanterar dessa högre effektnivåer få mer respekt i framtiden? Jag vet inte, såklart. Men det skulle vara fint eftersom massmarknadstillämpningar som elfordon, solenergi och ett smartare elnät behöver den expertkompetensen om kilowatt och megawatt.

Referenser:

1 – Roger E. Bilstein, ”Stages to Saturn: A Technological History of the Apollo/Saturn Launch Vehicles” (gratis nedladdningsbar 168 MB fil tillgänglig här. Gratis kapitelindelad nedladdning här)

2 – Charles Murray och Catherine Bly Cox, ”Apollo: The Race to the Moon”

3 – Wikipedia, ”Rocketdyne F-1”