Sarah vet varför hårtorkar startar mitt i natten

Hur många solceller finns i Skellefteå om fem år? Och hur många ­elbilsladdare i Stockholm? Ingen vet. Men en sak är säker; nya elektronikprylar ger nya störningar som elnätet måste stå pall för. Forskarna i Skellefteå tar reda på hur.

– Vi planerar för en okänd framtid. Där ligger vår stora utmaning, säger Math Bollen, som sedan två år tillbaka är professor i elkraftteknik vid Luleå tekniska universitet, LTU, i Skellefteå. 

Bollens forskargrupp studerar elkvalitet och hur elnäten påverkas av förnyelsebara energikällor och ny energieffektiv teknik. Ta till exempel en familj som sätter upp solceller på villataket och en elbilsladdare i garaget. De kopplar in solcellernas växelriktare på en av husets faser, precis som många villaägare gör. Då höjs spänningen på den fasen när solen tittar fram, och panelerna börjar producera el. Men vad händer om familjen samtidigt kopplar in elbilen på laddning på en annan fas? Och grannen gör likadant? Och grannens granne också?

Blir obalansen för stor kan annan utrustning som är ansluten till elnätet ta skada. Risken är störst i svagare nät på landsbygden. Trefasmotorer kan exempelvis drabbas av överhettning och få kortare livslängd, trefasomriktare kan slås ut.

– Vi planerar för en okänd framtid. Där ligger vår stora utmaning.

Math Bollen, professor i elkraftteknik vid Luleå tekniska universitet, LTU, i Skellefteå

Var går acceptansgränsen? Det är den typen av frågor som Skellefteåforskarna studerar. I ett projekt undersöker de exempelvis hur mycket solkraft elnätet i norra Sverige klarar utan att nätet eller kunderna drabbas på ett oacceptabelt sätt. Nivån kallas ”acceptansgränsen” och påverkas av en rad faktorer. Från utbyggnaden av elbilsladdare och datorhallar till ny teknik som batterilager och LED.

Oönskade spänningsvariationer är bara en aspekt på elkvalitet. En annan är övertoner, störningar med frekvenser upp till 2 kHz, som kan spridas av produkter som innehåller kraftelektronik. Det förklarar att prylar med liknande effektuttag kan påverka elnätet helt olika. Som exempel jämför Math Bollen en elbilsladdare med en rejäl vattenkokare på några kW.

– Ser man till effekten är produkterna ganska lika. Men för elnätet är vattenkokaren bara en resistans, medan elbilsladdaren har kraftelektronik som kan skicka ut övertoner, säger Math Bollen.

Övertoner är ett etablerat forskningsområde sedan länge. Forskarvärlden har god kännedom om hur sådana störningar beter sig och sprids, och det finns fastslagna gränsvärden för hur mycket övertoner produkter får sprida. Störningar i högre frekvenser, så kallade supratoner, var däremot obanad terräng tills för drygt tio år sedan.

– Ser man till effekten är produkterna ganska lika. Men för elnätet är vattenkokaren bara en resistans, medan elbilsladdaren har kraftelektronik som kan skicka ut övertoner.

Math Bollen

Då blev Math Bollen gästprofessor på campuset i Skellefteå och skulle dra i gång forskningen där. Han valde att specialisera sig på störningar i frekvensområdet mellan 2 till 150 kHz. Vid den här tiden hade begreppet supratoner inte myntats ännu, och intresset var rätt skralt i kraftbranschen. Men den stora elmätarreformen blev en vändpunkt. Från sommaren 2009 skulle alla landets elmätare avläsas månadsvis, och det installerades massor av mätare som skickar informationen på elnätet i just det frekvensområdet. 

– Nu vaknade intresset. Vi var de första som tittade systematiskt på de här frekvenserna och hade kommit längst i forskarvärlden.

I samma veva tog övergången till LED-belysning fart, och det eldade på engagemanget ytterligare. Kraftelektroniken i LED-lampornas drivdon visade sig sprida störningar i samma frekvensområde.

– Nu vaknade intresset. Vi var de första som tittade systematiskt på de här frekvenserna och hade kommit längst i forskarvärlden.

Flera av Maths forskare har disputerat inom området de senaste åren, däribland Sarah Rönnberg. Hon införde begreppet supratoner, och det var hon som insåg att de uppför sig annorlunda är vanliga lågfrekventa övertoner. Hon lyckades även presentera de första systematiska modellerna som förklarade det som hade mätts upp.  

Att området fortfarande är relativt outforskat beskriver hon som väldigt spännande.

– Jag får vara lite pionjär och behöver inte gå i andras fotspår, säger hon.

Sarah ger en rad exempel på märkliga fenomen där supratoner har visat sig vara förklaringen. Allt från blinkande lampor till hårtorkar som har startat mitt i natten på en frisersalong. Ett vanligare problem är klockor på exempelvis mikrovågsugnar som börjar visa fel. 

Klockorna håller tiden genom att räkna antalet nollgenomgångar i 50 Hz-spänningen. När supratoner får spänningen att fladdra kring nollan blir klockorna förvirrade och ger fel tidsangivelse.

– Jag får vara lite pionjär och behöver inte gå i andras fotspår.

Sarah Rönnberg, elkvalitetsforskare

I labbet på Campus Skellefteå finns ett hörn som kollegerna kallar för ”Sarahs hus”. Inte särskilt hemtrevligt, men fyllt av hushållsprylar som man brukar hittar i vanliga hem. Här finns dator, tv, induktionshäll, vattenkokare, kyl, värmepump, sju dinglande LED-lampor och dessutom en enfas växelriktare ansluten till en liten solcellsanläggning på taket.

Här har Sarah gjort många intressanta upptäckter. Som att supratonerna ibland breder ut sig på oväntade sätt. Vid ett tillfälle mätte hon exempelvis upp en viss distorsion från en LED-lampa. När hon sedan skruvade in ytterligare en LED-lampa så sjönk distorsionen. Det visade sig att störningarna ”städades bort” av den nya lampan i stället för att spridas på nätet. På samma vis kan lampor svälja störningar från solcellsomriktaren. 

– Jättebra för nätet, men kanske inte så lyckat för lampan, konstaterar Sarah.

Det kan tänkas att lampans livslängd sjunker av störningarna, men det vet forskarna inget om i dag.

– Jättebra för nätet, men kanske inte så lyckat för lampan.

Sarah Rönnberg

Sarah Rönnberg har även upptäckt många resonansfenomen. Växelriktaren ger exempelvis ifrån sig supratoner vars amplitud fördubblas när tv:n kopplas in. Men hon har aldrig uppmätt toner som är större än de som elmätaren sänder ut i sin kommunikation. 

I år ska Sarah bland annat delta i ett projekt som undersöker hur flimmer från LED-lampor påverkas av variationer i spänningen. Forskningen är angelägen eftersom dagens standarder baseras på den gamla glödlampan.

– Men LED-lampan beter sig inte alls som glödlampan, och det finns dessutom stora skillnader mellan olika LED-lampor, säger hon. 

Ett annat projekt hon är involverad i studerar mikronät, små lokala elnät i ödrift med batterilager.