Война токов 2.0 — как постоянный ток побеждает переменный
В 1890 году Томас Алва Эдисон (General Electrics) и Джордж Вестингауз (Westinghouse Electric) вступили в первую экономическую битву за технический стандарт в истории промышленности. Эта битва вошла в историю как «война токов».
Предметом спора была рыночная доля соответствующих электрических компаний и применение электросетей постоянного или переменного тока в качестве электрического стандарта в Соединенных Штатах Америки.
Эдисон выступал за постоянный ток ( DC) и зарегистрировал множество патентов в этой области, за что дорого заплатил.
В результате свободная конкуренция и инновации были затруднены. Из-за этих патентных ограничений компания Westinghouse отдавала предпочтение переменному току (AC) , который был бесплатным в соответствии с патентным законодательством.
К концу 1887 года у Эдисона была 121 сеть постоянного тока, а у Вестингауза вместе с Thomson-Houston Electric Company было 90 сетей переменного тока в США, что мешало расширению сетей Эдисона.
Томас Эдисон позирует с электромобилем Bailey
У всех компаний были свои электрические распределительные системы, некоторые из которых пересекались. В течение многих лет два противника вели информационную войну, и Эдисон пытался изгнать своего противника с рынка, ссылаясь на опасность переменного тока в глазах общественности.
Однако большим преимуществом переменного тока было его огромное распространение в сетях, и в конце концов он стал нормой к концу 19 века.
Вы можете найти более подробную информацию о Войне Токов по этой ссылке: Тесла, Эдисон и война токов (переменный или постоянный ток)
HVDC – передача электроэнергии постоянным током
В современной энергетике мы сталкиваемся с постоянным током чаще всего в области электрической тяги и все чаще в области передачи электрической энергии на большие расстояния.
Одним из первых применений постоянного тока было городское освещение дуговыми лампами. Эти сети развивались в основном в крупных городах США. Первая система освещения с помощью ламп Эдисона была построена на Манхэттене (Нью-Йорк) в 1882 году, когда шесть гигантских динамо-машин обслуживали площадь примерно в 2,5 км 2 .
Самым большим недостатком постоянного тока оказалась невозможность простого и эффективного изменения напряжения, поэтому машины должны были работать от напряжения генератора.
Распределение электроэнергии при низком напряжении препятствовало передаче электроэнергии на расстояния, превышающие несколько километров — на более дальних расстояниях стали очевидны падение напряжения на линии и столь же высокие потери. Невозможность легко преобразовать различные уровни напряжения постоянного тока проложила путь к переменному току.
До 1880-х годов переменный ток не воспринимался как подходящая альтернатива постоянному току. Переломный момент наступил в 1884 и 1885 годах с изобретением первого трансформатора с замкнутым магнитным сердечником, который позволял легко и эффективно преобразовывать переменное напряжение.
Следующим шагом стало практическое использование переменного тока. В 1888 году Никола Тесла представил свой первый многофазный двигатель переменного тока (двухфазный асинхронный двигатель), который смог конкурировать с современными машинами постоянного тока.
Победа переменного тока над постоянным была наглядно подтверждена в 1891 году, когда состоялась первая дальняя передача с 3-х фазной системой — 3-х фазный асинхронный двигатель мощностью 75 кВт был успешно запитан на расстояние примерно 175 км. Передача происходила на переменном напряжении 15 кВ, позже на 25 кВ.
Современная трансформаторная подстанция
Возвращение постоянного тока в системы передачи электроэнергии произошло в 1930-х годах с изобретением ртутных выпрямителей, которые значительно упростили преобразование высокого переменного напряжения в постоянное напряжение, чем применявшиеся до того времени вращающиеся преобразователи.
В 1954 году была запущена первая коммерческая линия высокого напряжения постоянного тока (HVDC), соединяющая побережье Швеции с островом Готланд. Это открыло путь для дальнейшего коммерческого применения передачи постоянного тока.
Другой важной вехой является открытие тиристорных преобразователей. Весной 1967 года был установлен первый тиристорный преобразователь, опять же на Готландской линии, вместо первоначального ртутного преобразователя.
В последующие годы широкое распространение получили тиристорные преобразователи. В настоящее время помимо тиристорных преобразователей применяются и транзисторные преобразователи (особенно IGBT-транзисторы).
Линии электропередачи постоянного тока (HVDC)
Распространенным применением передачи постоянного тока являются длинные кабельные линии, особенно подводные: длинные кабельные линии не могут использовать переменный ток из-за их низкой пропускной способности.
Другим, все более популярным в настоящее время применением передач постоянного тока является передача больших мощностей порядка тысяч МВт на большие расстояния.
В основном речь идет о получении энергии из удаленных источников (например, крупных гидроэлектростанций), часто расположенных в сотнях и тысячах километров от точек потребления.
Также речь идет о подключении нагрузок, находящихся очень далеко от сетей передачи (например, крупных шахт, нефтяных платформ). С постоянно растущим давлением на использование возобновляемых ресурсов строятся большие фермы и парки, как солнечные, так и ветряные.
Ветряные электростанции часто располагаются в море, где погодные условия лучше. Передача постоянного тока предлагается как подходящий, а в некоторых случаях и единственный вариант эффективной и надежной транспортировки произведенной электроэнергии к местам потребления энергии.
Подробнее про использование постоянного тока для передачи электроэнергии на большие расстояния смотрите здесь: Передача постоянного тока в электроэнергетике
Электрические распределительные сети сегодня
1. Повышенное потребление энергии
По сравнению с концом прошлого века потребление электроэнергии значительно возросло. Электрификация домашних хозяйств и коммерческих предприятий приводит к неуклонному увеличению потребления электроэнергии.
В ближайшие несколько лет ожидается взрывной рост, особенно с переходом на электромобили. Резкое увеличение зарядных станций для электромобилей создаст серьезные проблемы для существующей инфраструктуры.
Растущее потребление энергии в ИТ-секторе, с увеличением количества центров обработки данных, также потребляет большое количество энергии.
2. Увеличение затрат на энергию
Цена на электроэнергию для частных домохозяйств в течение многих лет имеет тенденцию к росту в большинстве стран. В Германии, например, цена на электроэнергию выросла более чем вдвое за 20 лет. И тенденция по-прежнему на подъеме.
В этом контексте самостоятельное производство и использование электроэнергии является интересной альтернативой. Из-за низкой окупаемости сети собственное хранение энергии становится все более важной темой для домовладельцев, позволяющей еще больше сократить счета за электроэнергию и обрести независимость за счет оптимизации энергопотребления.
3. Возобновляемые источники энергии и энергетический переход
Возобновляемая энергия поступает нерегулярно. Когда солнце или ветер производят энергию, это не значит, что эта энергия будет где-то одновременно потребляться.
Промежуточная амортизация увеличения производства электроэнергии является серьезной проблемой. Вот почему, когда производство энергии близко к нулю, обычные электростанции необходимы, чтобы продолжать обслуживать всех потребителей.
Энергетический переход в настоящее время не может быть реализован без традиционных технологий в крупных сетях. Это системная проблема, связанная с производством «старой» и «новой» энергии, а также с контролем весьма неравномерного объема производства и потребления энергии.
4. Увеличение пропускной способности электрических сетей
Огромный объем производства энергии за счет возобновляемых источников энергии, а также быстрый рост потребления энергии создают огромные проблемы для существующих линий электропередач.
Расширение сетей для удовлетворения новых требований связано с большими затратами. Высокие пики производства и потребления энергии в разное время должны постоянно балансироваться и в целом регулироваться. А энергетический переход 2050 года требует еще большего фотоэлектрического покрытия. Часто полная мощность фотоэлектрической системы даже не может быть использована из-за плохого подключения к сети.
Производство электроэнергии с использованием фотоэлектрических панелей
Мир меняется – Война токов 2.0
Для централизованного электроснабжения с централизованной выработкой электроэнергии переменный ток имеет определенные преимущества. Однако производство электроэнергии во всем мире становится все более децентрализованным за счет возобновляемых источников энергии, таких как небольшие фотоэлектрические системы, установленные на крышах многих домов, и растущее число крупных фотоэлектрических электростанций.
С региональными сетями постоянного тока и их более коротким радиусом действия большие сети переменного тока могут быть значительно разгружены.
Рука об руку с электроэнергетическими компаниями возможна взаимная поддержка благодаря облегчению сети и повышению энергоэффективности. Пики производства больше не нужно балансировать, они могут потребляться или храниться непосредственно в сети постоянного тока.
Экономятся высокие затраты на расширение сетей переменного тока. Кроме того, весь потенциал фотоэлектрических систем можно использовать непосредственно в микросети постоянного тока.
Как дом завтрашнего дня будет работать на постоянном токе:
Видение многих небольших децентрализованных сетей постоянного тока все еще находится в зачаточном состоянии. Благодаря высокой энергоэффективности эта технология становится все более популярной.
Фактически солнечная энергия, вырабатываемая в постоянном токе, больше не будет нуждаться в преобразовании. Она будет поступать напрямую к потребителям постоянного тока, таким как тепловые насосы, аккумуляторы или электромобили.
Тепловой насос в доме
Электричество постоянного тока собственного производства теперь можно будет использовать с гораздо меньшими потерями (без потерь при преобразовании переменного тока в постоянный). В качестве связи между производителями и потребителями электроэнергии будет использоваться специальный кабель питания постоянного тока (звено постоянного тока).
В зависимости от потребителя мощность постоянного тока либо напрямую направляется к потребителям постоянного тока через DC-DC преобразователи, а к потребителям переменного тока через инверторы, преобразующие постоянный ток в переменный.
В ближайшем будущем во всем мире речь пойдет о частичном или полном переводе жилых районов, коммерческих предприятий или других крупных зданий на постоянный ток. Системы освещения, электронные зарядные станции или топливные элементы могут напрямую использовать постоянный ток.
Многие потребители электроэнергии, такие как тепловые насосы или инфракрасные обогреватели могут питаться непосредственно от сети постоянного тока.
Коммерческая компания может управлять электродвигателями своих машин напрямую от собственной солнечной системы через частотные преобразователи. Многое возможно, многое лежит в ящике идей, многое меняется.
Уже создан новый мощный стандарт USB Power Delivery 4.0, который может выдавать 100 Вт. Благодаря этой технологии можно получать одновременно питание и данные.
Сейчас можно построить умный дом из взаимосвязанных устройств, которые общаются друг с другом без менее надежного и безопасного Wi-Fi, и проводка станет основой Интернета вещей.
Электропроводку не нужно будет прокладывать внутри стен, ее можно было приклеить к стене, как скотч, и просто закрасить. И все, что к ней будет подключаться, окажется дешевле и надежнее, потому что в этом случае не будет необходимости в трансформаторах и выпрямителях для каждого подключенного стройства, превращающих переменный ток в низковольтный постоянный.
На кухне и в ванной должны быть провода большего размера, чтобы нести нагрузки, необходимые для работы холодильника, стиральной машины или кондиционера. Но даже они могут быть более эффективными при работе на постоянном токе благодаря частотно-регулируемым приводам.
Использование частотно-регулируемых приводов растет, поскольку регулирование скорости двигателя в соответствии с потребностями может не только экономить энергию, но и оптимизировать работу. Например, возможность точной настройки скорости двигателя кондиционера может сделать температуру и условия в помещении более комфортными.
Домашняя электропроводка будущего будет работать на постоянном токе
Ученые утверждают, что использование постоянного тока может сократить потребление электроэнергии на 20 процентов. Добавьте первоначальную экономию на более дешевых светодиодных лампах и экономия станет намного больше.
Ничто из этого не ново для людей, которые живут в жилых автофургонах или на яхтах. Они уже много лет живут в мире постоянного тока — в своей собственной микросети. Однако достижения в области производства светодиодов и снижение цен на солнечную энергию делают этот образ жизни таким же комфортным, как жизнь в доме, подключенном к обычной электрической сети.
Дом будущего с нулевым потреблением энергии будет работать на постоянном токе, и мы все, возможно, будем ездить на Эдисонах вместо Теслы.
А что вы думаете по этому поводу? Поделитесь в комментариях!
Надеюсь, что эта статья была для вас полезной. Смотрите также другие статьи в категории Электрическая энергия в быту и на производстве » Электричество в доме
Что лучше, переменный ток или постоянный ток? Поясните чем
ДЛЯ ЧЕГО?
У каждого вида тока есть своё назначение, и наоборот — для каждой задачи нужен свой вид тока.
Для генерации и передачи на большие расстояния лучше переменный, потому что для него проще преобразования из сравнительно низкого напряжения (генератор) в высокое (ЛЭП) и снова в низкое (потребитель) . И только при передачи на сверхдальние расстояния, когда уже существенны индуктивные потери на проводах ЛЭП, опять становится выгоднее постоянный.
Для двигателей всё равно, но в промышленности чаще применяются двигатели переменного тока. Они проще конструктивно (отсутствует коллектор со щётками и не нужен преобразователь переменного тока в постоянный) , они не искрят, и у них элементарно выполняется реверс, если работать от трёхфазной сети.
Для нагревательных элементов, от паяльника до электроплиты, по фигу какое напряжение, а раз по фигу — то проще переменное. Опять же — не надо преобразовывать.
Для работы различной электронной аппаратуры нужно постоянное напряжение. Вот всё, что связано с обработкой сигналов — приёмник, рация, компьютер, даже микропроцессоор в утюге или в плите — это всё требует для работы источника постоянного напряжения. Поэтому в сетевой аппаратуре обязательно присутствует встроенный источник питания, коорый из 220 В переменного делает сколько нужно постоянного.
Постоянный и переменный ток: преимущества и недостатки
Какой электрический ток лучше: постоянный или переменный ток? Чтобы дать ответ на данный вопрос нужно оценить их преимущества и недостатки по следующим основным направлениям: выработка, передача, распределение и потребление электроэнергии. Проще говоря, нужно ответить на следующие вопросы. Какой род тока проще и дешевле получить, затем передать его на большое расстояние, после чего распределить электроэнергию между потребителями. Потребители какого рода энергии более эффективны?
Сегодня преимущественное большинство электрической энергии, добываемой или генерируемой в мире, выпадет на переменный ток. И в первую очередь это связано с тем, что переменный ток проще преобразовывать из более низкого напряжения в более высокое и наоборот, то есть он проще в трансформации.
Место производство электрической энергии большой мощности, к сожалению пока что невозможно базировать в тех местах, где хотелось бы, то есть непосредственно рядом с потребителями. Например, мощную гидроэлектростанцию можно соорудить только на полноводной реке и то не в каждом месте. А конечный потребитель может находиться на расстоянии сотни и тысячи километров от электростанции. Поэтому очень важно обеспечить такие условия, чтобы минимизировать потери мощности в проводах линии электропередачи ЛЭП. В этом случае потери электроэнергии снижаются с ростом напряжения. Давайте остановимся на этом более подробно. Предположим, имеется некая электростанция, а точнее ее генератор, выдающий мощность 1000 кВт и нам необходимо передать эту мощность потребителю, который находится на расстоянии, например на 100 км от генератора.
Для сравнения электрическую энергию будем передавать напряжением 10 кВ и 100 кВ. При заданных мощности и напряжениях определим величины токов, протекающих в проводах.
I1 = P/U1 = 1000 кВт/10 кВ = 100 А.
I2 = P/U2 = 1000 кВт/100 кВ = 10 А.
Как мы видим, при увеличении напряжения в 10 раз, ток снижается тоже в 10 раз.
Потери электроэнергии в проводах ЛЭП и не только в них определяются квадратом тока, протекающего в них и сопротивлением самого провода. Для простоты расчет примем сопротивление проводов, равным 10 Ом. Подсчитаем потери мощности для обоих случаев.
Pпот1 = I12∙R = 1002∙10 = 100000 Вт = 100 кВт.
Pпот2 = I22∙R = 102∙10 = 1000 Вт = 1 кВт.
Теперь, как мы видим, с ростом напряжения в 10 раз потери электроэнергии снижаются в 100 раз! При более низком напряжении доля потерь в проводах составляет 10 % от мощности, выдаваемой генератором. А при более высоком напряжении эта доля составляет всего 0,1 %. Поэтому очень важным параметров сравнения родов тока является возможность повышать напряжение, а затем его снижать в конечных пунктах.
Можно было бы и не повышать напряжение, а для снижения потерь применять более толстые провода, но такой подход экономически не оправдан, поскольку медные провода стоят денег.
Также можно было бы и не повышать напряжение генератора, а создать такой генератор, который сразу бы выдавал высокое напряжения. Но здесь возникают сложности при изготовлении таких генераторов. Сложности связаны в основном с изоляцией высоковольтных элементов генератора. Короче говоря, изготовить трансформатор на высокое напряжение гораздо проще и дешевле, нежели генератор.
Преимущества переменного тока
Вопрос повышения и снижения переменного напряжения при нынешнем уровне технического развития решается гораздо проще, чем постоянного электрического тока.
Такие преобразования довольно просто выполняются с помощью относительно простого устройства – трансформатора. Трансформатор обладает высоким коэффициентом полезного действия, который достигает 99 %. Это значит, что не более одного процента мощности теряется при повышении или снижении напряжения. К тому же трансформатор позволяет развязать высокое напряжение с более низким, что для большинства электроустановок является очень весомым аргументом.
Применение трехфазной системы переменного тока позволяет еще больше повысить эффективность системы электроснабжения. Для передачи электричества аналогичной мощности потребуется меньше проводов, чем при однофазном переменном токе. К тому же трехфазный трансформатор меньше габаритов однофазного трансформатора равной мощности.
Электрические машины переменного тока, в частности асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором имеют гораздо проще конструкцию, чем двигатели постоянного тока. Главным преимуществом трехфазных асинхронных двигателей является отсутствие коллекторно-щеточного узла. Благодаря чему снижаются расходы на изготовление и эксплуатацию таких электрических машин. Кроме того за счет отсутствия коллекторно-щеточного узла асинхронные двигатели имеют в разы большую мощность по сравнению с двигателями постоянного тока.
Недостатки постоянного тока
Из выше изложенного следуют такие недостатки.
- Сложность повышения и снижения напряжения, то есть преобразования электроэнергии постоянного тока. В первую очередь это вызвано сложность конструкций преобразователей. Поскольку необходимы мощные полупроводниковые ключи, рассчитанные на высокое напряжение. Отсутствие которых приводит к большому числу последовательно и параллельно соединенных полупроводниковых приборов. В результате снижается надежность всего преобразователя, увеличивается стоимость и возрастают потери мощности.
- Электрические машины имеют более сложную конструкцию, поэтому менее надежны и более затратные, как в производстве, так и в эксплуатации.
- Сложности в развязке высокого и низкого напряжений.
Формула напряжения
В физике есть формула, хотя практического применения она не имеет. Официальная формула записывается так.
A — это работа электрического поля по перемещению заряда по участку цепи, Джоули
U — напряжение на участке электрической цепи, Вольты
На практике напряжение на участке цепи выводится через закон Ома.
Будет интересно➡ Напряжение в сети
напряжение из закона Ома
I — сила тока, Амперы
R — сопротивление, Омы
Недостатки переменного тока
- Важнейшим недостатком переменного тока является наличие реактивной мощности. Как известно, конденсатор и катушка индуктивности проявляют свои реактивные свойства только в цепях переменного тока. Проще говоря, катушка и конденсатор создают реактивное сопротивление переменному току, но не потребляю его. В результате этого из полной мощности, отдаваемой генератором переменного тока, часть мощности не затрачивается на выполнение полезной работы, а лишь бесполезно циркулирует межу генератором и нагрузкой. Такая мощность называется реактивной и является вредной. Поэтому ее стараются минимизировать.
Однако большинство нагрузок – двигатели, трансформаторы и сами провода являются индуктивными элементами. А чем больше индуктивность, тем большую долю составляет реактивная мощность от полной и с этим нужно бороться.
- Второй главный недостаток переменного тока заключается в том, что он протекает не по всему сечению проводника, а вытесняется ближе к его поверхности. В результате снижается площадь, по которой протекает электрический ток, что в свою очередь приводит к увеличению сопротивления проводника и к росту потерь мощности в нем.
Чем выше частота, тем сильнее вытесняется ток к поверхности проводника и в конечном счете, тем выше потери мощности.
Откуда берется напряжение
Чтобы подать электричество в розетку, необходимо его как-то сгенерировать. Для выработки электроэнергии до сих пор в большинстве применяются технологии конца 19 века – электромагнитная индукция, преобразующая механическую энергию в электрическую. Проще говоря – генераторы. Различие генераторов лишь в том, каким образом подают механическую энергию. Раньше это были громоздкие паровые машины. Со временем добавились гидротурбины для проточной воды (гидроэлектростанции) , двигатели внутреннего сгорания, ядерные реакторы.
Принцип действия генератора основан на магнитной индукции. Вращательное движение генератора превращается в электрический ток. То есть можно сказать, что генератор — это тот же самый электродвигатель, но обратного действия. Если на электродвигатель подать напряжение, то он начнет вращаться. Генератор работает наоборот. Вращательное движение вала генератора превращается в электрический ток. Поэтому, чтобы вращать вал генератора, нам потребуется какая-либо энергия извне. Это может быть пар, который раскручивает турбину, а она в свою очередь раскручивает вал генератора
Принцип работы ТЭС
либо это может быть сила потока воды, которая с помощью гидротурбины раскручивает вал генератора, а он в свою очередь также вырабатывает электрический ток
Принцип работы ГЭС
Ну или это может быть даже ветряк
Ветряная электростанция
Короче говоря, принцип везде один и тот же.
Кстати, ядерный реактор не способен самостоятельно выработать энергию. По сути, атомная энергоустановка является тем же самым примитивным паровым котлом, где рабочим телом является обыкновенный пар. Да, нынче существуют иные способы генерации электричества, на вроде тех же самых солнечных элементов, бетагальванических и изотопных ядерных батарей, «мифических» токомаков. Однако, вышеперечисленный «хайтэк» имеет существенные ограничения – запредельная стоимость материалов ,монтажа и наладки, габариты и малый кпд. Потому, всерьёз рассматривать всё это в качестве полноценной электростанции большой мощности не стоит (по крайней мере в ближайшие пару десятков лет).
Преимущества постоянного тока
- Главное преимущество электрической энергии постоянного тока – это отсутствие реактивной мощности. А это значит, что вся мощность, выработанная генератором, потребляется нагрузкой за вычетом потерь в проводах.
- Постоянный ток в отличие от переменного протекает по всему сечению проводника.
Указанные два пункта приводят к тому, что если передавать одну и ту же мощность при равных напряжениях постоянным и переменным токами, то потери мощности электроэнергии постоянным током были бы почти в два раза меньше, чем при переменном токе.
К тому же, если рассматривать такие бытовые электронные устройства как ноутбуки, компьютеры, телевизоры и т. п., то все они имеют блоки питания, преобразующие переменное напряжение 220 В (230 В) в постоянное напряжение более низкой величины. А такие преобразования связаны с частичной потерей мощности.
Кроме того, как было сказано ранее, трехфазный асинхронный двигатель (АД) можно подключить напрямую к сети 380 В, что вполне оправдано в том случае, когда не требуется изменять режим работы двигателя. Но если необходимо изменять частоту вращения его вала, то нужно на обмотки статора подавать напряжение, частота и амплитуда которого должны изменяться пропорционально, согласно закону Костенка. Для этого применяют трехфазные автономные инверторы (АИ), чаще всего инверторы напряжения. Такие инверторы должны получать питание от источника постоянного напряжения.
Также следует заметить, что последним временем начали очень широко применяться солнечные батареи, которые вырабатывают постоянный ток. К тому же, значительно возросла мощность аккумуляторных батарей и повысилась емкость суперконденсаторов, которые также относятся к источникам постоянного тока и с каждым днем находят все большее практическое применение.
Экскурс в историю
Итак, генератор на нашей электростанции преобразовывает механическую энергию в электрическую. А что дальше? В каком виде и как именно передавать энергию потребителю? Как избежать колоссальных потерь при передаче?
Поразительно, но подобная ситуация существовала на самом деле! В той же Российской Империи вплоть до начала 20 века была полная неразбериха. Рядом с каждым «крупным» потребителем электроэнергии (фабрика, подворье преуспевающего купца или гостиница для особ благородных кровей) строили отдельную электростанцию. Было множество конкурирующих фирм, предоставляющих услуги электрификации и, в последующем, своё электрическое оборудование заточенное только под свою сеть. Каждый поставщик электроэнергии задавал собственные параметры электросети – напряжение, частоту. Были даже электросети с постоянным током! Человек, купивший, к примеру, электролампочки в «Товариществе электрического освещения Лодыгин и Ко» смог бы использовать их лишь в электросети этой же компании. При подключении к сети «Дженерал электрик» эта лампочка тут же вышла бы из строя – напряжение сети этой фирмы было значительно выше необходимого, не говоря уже о других параметрах.
Лишь в 1913 году имперские инженеры решились передавать электроэнергию на большие расстояния по воздушным проводным линиям, избавив от необходимости постройки электростанций «у каждой розетки». В преддверии грядущей великой войны и нахлынувшего патриотизма власть задумалась об импортозамещении. Ну прям как в наше время, после кризиса 2014 года). Были финансово и юридически задавлены многие небольшие западные фирмы (кроме германских и французских), преференции и льготы давались лишь отечественным товариществам и предприятиям. В итоге, это привело к монополизму на рынке поставщика электроэнергии и, невольно, стандартизации параметров электрической сети.
Так как Берлин и Париж были уже электрифицированы единой энергосистемой с переменным напряжением сети 220 вольт, отечественные компании также приняли этот стандарт. Людям было удобнее использовать электрические приборы единого типа, не беспокоясь что их новомодный электрический пылесос сгорит на новом месте жительства из-за других параметров энергосети. Произошло полное вытеснение многих небольших фирм – никто уже не хотел пользоваться их услугами и их приборами, хотя они вынужденно подстроились под единый стандарт электросети. Те самые 220 вольт переменного тока.
Выводы: постоянный или переменный ток
Несмотря на все преимущества постоянного тока, значительная сложность, вызванная преобразованием больших мощностей, главным образом сказывается сложность повышения и понижения постоянного напряжения, сводит на нет указанные выше преимущества. Поэтому, до тех пор, пока не будут разработаны полупроводниковые ключи огромной мощности и соответствующие преобразователи на их основе, переменный ток остается вне конкуренции. К тому же сейчас уже применяются четырехквадрантные преобразователи или активные выпрямители, позволяющие скомпенсировать реактивную составляющую нагрузки, что позволяет получить коэффициент мощности, равный почти единице. Благодаря чему исключается потребление реактивной мощности.
Как вы видите, однозначного ответа на вопрос, какой ток лучше: постоянный или переменный, не существует. Следует сравнивать все преимущества и недостатки для конкретного случая.
Происхождение
Разница между AC и DC заключается в их происхождении. Постоянный ток можно получить из гальванических элементов, например, батареек и аккумуляторов.
Также его можно получить с помощью динамомашины – это устаревшее название генератора постоянного тока. Кстати с их помощью генерировалась энергия для первых электросетей. Мы об этом говорили в статье об открытиях Николы Тесла, в заметках о войне идей между Теслой и Эдисоном. Позже так называли небольшие генераторы для питания велосипедных фар.
Переменный ток добывают также с помощью генераторов, в наше время в основном трёхфазных.
Также и то и другое напряжение можно получить с помощью полупроводниковых преобразователей и выпрямителей. Так вы можете выпрямить переменный ток или получить его же, преобразовав постоянный.
Основные отличия постоянного и переменного тока
Электричество, исходя из способа протекания, классифицируют на два вида: постоянный и переменный ток. В английском языке для постоянного электротока принято обозначение DC (Direct Current), а для переменного — AC (Alternating Current). Как видно из английских названий, постоянный ток течет лишь в одном направлении и не изменяется линейно, переменный — в переменных направлениях.
Чем отличаются электротоки
Вероятно, самый знакомый постоянный электроток — это батарея сухих элементов, а самый знакомый переменный электроток – это розетка в доме, которой каждый из нас пользуется ежедневно.
Что такое — постоянный электроток? Если объяснять простыми словами для так называемых «чайников», то это вид электричества, которое всегда течет в определенном направлении, как при течении реки. Таким является поток электроэнергии от аккумуляторов и солнечных батарей.
С другой стороны, переменный электроток — это вид электричества, при котором положительные и отрицательные заряды всегда циклически переключаются, направление потока электроэнергии также постоянно меняется соответствующим образом. Переменный электрический ток вырабатывается генераторами. Электроэнергия, получаемая на электростанциях, также подается потребителям в виде переменного электротока.
В источнике постоянного тока всегда поддерживается постоянное электронапряжение. Чем дольше используются сухие элементы и аккумуляторные батареи, тем больше они разряжаются и их запас напряжения уменьшается, но направление напряжения остается неизменным.
Источник переменного тока обеспечивает электронапряжение, меняющееся от положительного до отрицательного в определенном цикле.
Чем отличается переменный ток от постоянного, демонстрируют графики, представленные на рисунке ниже.
Постоянный или переменный ток никак не превосходят друг друга, у каждого вида свои положительные и отрицательные стороны. В зависимости от цели использования электроэнергии и оборудования выбирается источник тока, наиболее соответствующий требованиям. И постоянный, и переменный электроток имеет свою сферу применения.
Плюсы и минусы постоянного электротока
При постоянном все электричество проходит через нагрузку, поскольку ток всегда течет в одном направлении. Таким образом, реактивная мощность не генерируется, энергия используется эффективно. Еще преимущество постоянного тока в том, что его можно накапливать, используя батареи, аккумуляторы и конденсаторы.
При переменном электротоке, если в цепь включен конденсатор или катушка, будет наблюдаться задержка или опережение тока, протекающего через нагрузку, по отношению к поведению напряжения. Проще говоря, в этих компонентах при прохождении переменного тока возникает реактивное сопротивление. В результате на выполнение полезной работы тратится не вся мощность оборудования, некоторая ее часть, которая называется реактивной, бесполезно перемещается между нагрузкой и генератором.
Реактивную мощность стараются сделать минимальной. Ее наличие часто используют, как основной аргумент, когда пытаются объяснить, какими преимуществами обладает переменный ток по сравнению с постоянным.
Нельзя не отметить, что постоянный электроток имеет определенные недостатки. Одним из них является сложность прерывания. Поскольку постоянный электроток — это всегда постоянное электронапряжение, то в момент прерывания могут возникнуть проблемы, такие как дуга (искрение) и риск поражения электрическим током в окружающем пространстве.
В случае переменного электротока электронапряжение кратковременно уменьшается до нуля при его переключении с положительного на отрицательное или с отрицательного на положительное значение. Если электронапряжение направлено на низкий уровень, электроток может быть прерван более безопасно, чем при постоянном электронапряжении.
Как постоянное, так и переменное напряжение часто бывает необходимо повысить или понизить. Преобразование переменного осуществляется легко и непринужденно с помощью трансформаторов. Чтобы это сделать с постоянным, нужно его сначала преобразовать в переменное, а затем назад в постоянное, но уже с другими параметрами. В результате оборудование для преобразования постоянного напряжения является более крупным и дорогостоящим, чем для переменного.
Еще одним недостатком постоянного электротока является то, что подземные трубы, используемые для передачи электроэнергии, подвержены сильной коррозии. Поскольку электричество всегда течет в одном направлении с постоянным электротоком, электростатическая индукция и электролитическая коррозия вызывают повреждение передающего оборудования.
Следовательно, можно выделить такие преимущества постоянного электротока:
- Отсутствие опережения или задержки в электроцепи.
- Реактивная мощность не генерируется.
- Возможность накапливания электроэнергии.
Определившись с преимуществами, среди недостатков следует отметить:
- Сложность прерывания электротока.
- Сложность преобразования напряжения.
- Сильное действие электролитической коррозии.
В обычных домашних хозяйствах используется переменный электроток, а в электронном оборудовании, например, компьютерах, телевизорах — постоянный электроток. Необходимый для работы подобного оборудования переменный электроток из розетки в квартире преобразуется в постоянный с помощью конденсатора или аналогичного устройства. Однако в центрах обработки данных продвигаются источники питания постоянного электротока, чтобы снизить потери при преобразовании переменного электротока в постоянный.
Плюсы и минусы переменного тока
И переменный, и постоянный ток большой мощности невозможно получать непосредственно возле потребителей. Последние могут располагаться от устройства, вырабатывающего электроток, на расстоянии многих сотен и даже тысяч километров. Передачу электроэнергии на дальние расстояния эффективнее осуществлять при очень высоком электронапряжении. Передача с использованием низкого электронапряжения приводит к довольно внушительным потерям мощности. Это связано с тем, что при протекании электричества по проводам выделяется тепло, а тепло — это энергия, которая уходит наружу, поэтому это потеря мощности.
Например, если требуется 3000 Вт (ватт) электроэнергии, то при напряжении 100 В ток должен составлять 30 А (ампер), а при напряжении 1000 В только 3 А. Другими словами, если электронапряжение увеличивается в 10 раз, величина электротока уменьшается в 10 раз. Потери мощности можно узнать, используя простейшую формулу:
Как видим, потери мощности при уменьшении электронапряжения в десять раз снижаются в сто раз. Это главная причина, почему передачу электроэнергии на большие расстояния осуществляют высоковольтными линиями. Конечно, таким электронапряжением нельзя пользоваться в домах и офисах. Поэтому его понижают, используя трансформаторы. В отличие от постоянного, переменный электроток преобразовывается намного проще, поэтому он лучше подходит для электроснабжения инфраструктуры.
Еще одно различие между переменным током и постоянным связано с тем, что подачу питания при использовании переменного электронапряжения намного легче прервать. Разница заключается еще и в том, что при пользовании переменным напряжением не имеет значения полярность. Например, при подключении к розетке никто не задумывается, где плюс или минус у электрочайника или холодильника.
С другой стороны, переменный электроток требует более высокого электронапряжения, чем целевое электронапряжение для используемого электрооборудования, поскольку значение напряжения постоянно меняется, и бывают моменты, когда напряжение падает до нуля. Форма волны переменного напряжения синусоидальная, а максимальное напряжение в √2 раз больше текущего значения. Характеристики изоляции и технические характеристики оборудования должны быть выше эффективного значения.
Другой отличающейся особенностью переменного электротока является то, что на него сильно влияют катушки и конденсаторы. Они генерируют напряжение, которое заставляет ток течь в противоположном направлении, что вызывает опережение или задержку электротока в цепи.
Следовательно, преимуществом переменного электротока является:
- Возможность более выгодной транспортировки.
- Более простой процесс преобразования.
- Легкость отключения от сети питания.
- Нет необходимости беспокоиться о плюсах и минусах.
Основной минус переменного электротока — наличие реактивной мощности. Еще одним недостатком считается то, что при прохождении электротока задействуется не все сечение проводника, происходит вытеснение заряда к поверхности. Из-за этого уменьшается площадь протекания электротока, что способствует увеличению сопротивления самого проводника, а также возникновению потерь мощности в нем.
Система электроснабжения становится еще более эффективной при использовании трехфазного переменного электротока. График такого электротока представляет собой три волны, смещенные относительно друг друга на 120 градусов.
Для передачи трехфазного электричества требуется меньшее количество проводов, чем для передачи однофазного аналогичной мощности. Трехфазные трансформаторы отличаются меньшими габаритами, чем однофазные. Конструкция трехфазных асинхронных электродвигателей не предусматривает коллекторно-щеточного узла. Данное обстоятельство существенно снижает расходы, связанные и изготовлением и эксплуатацией моторов. Благодаря отсутствию коллекторно-щеточного узла электродвигатели развивают мощность в разы превышающую мощность моторов постоянного электротока.