Переменный ток и его польза
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.
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.
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.
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.
Большинство современных бытовых и промышленных устройств работают от сети переменного тока. К ним можно отнести также все приборы на основе постоянного тока или питающиеся от аккумуляторов, поскольку они используют ту или иную форму DC, полученную из AC как с помощью преобразования сетевого напряжения, так и путём зарядки батарей. Но так было не всегда. Потребовалось немало времени, чтобы подобная система энергоснабжения зарекомендовала себя с лучшей стороны.
Эдисон и Тесла
Ипполит Пикси сумел создать первый генератор переменного тока в 1835 году. Это было устройство на постоянных магнитах, работающее при вращении рукоятки. Предприниматели того времени были заинтересованы в генерации DC и не совсем понимали, где может применяться изобретение и зачем нужно получать AC.
Настоящая конкуренция за стандарты электричества в линиях передач развернулась к концу 1880-х. годов, когда началась борьба между основными энергетическими компаниями за доминирование на рынке собственных запатентованных энергетических систем. Это было соперничество концепций электрификации двух великих изобретателей: Николы Теслы и Томаса Эдисона.
Эдисон изобрёл и усовершенствовал немало устройств, необходимых для первых систем генерации и транспортировки постоянного тока. В течение короткого времени его компания смогла открыть более 200 станций в Северной Америке. Предприятие росло, и изобретатель для выполнения работ по усовершенствованию оборудования нанял Николу Теслу — молодого инженера из Европы. Новый сотрудник предложил вниманию Эдисона революционные для того времени работы, основанные на технологиях переменного значения. Идеи Тесла были отвергнуты и пути изобретателей разошлись.
Джордж Вестингауз, наоборот, отнёсся к открытиям сербского инженера с большим интересом и выкупил все патенты Тесла. После предприятия Вестингауза пережило немало потрясений, в том числе и связанных с мощными пропагандистскими компаниями Эдисона. Финалом борьбы стал момент, когда система Теслы была выбрана для освещения выставки в Чикаго. Это событие познакомило мир с преимуществами многофазной генерации AC и его транспортировки. С тех пор большинство электрических устройств и сетей заказывались уже под новый стандарт. Основными датами войны токов были:
- 1870 г. — создание Эдисоном первого генератора DC;
- 1878 г. — основание Edison Electric Light Co в Нью-Йорке;
- 1882 г. — открытие Эдисоном генерирующей станции Pearl Street на 5 тыс. огней;
-
1883 г. — изобретение Теслой трансформатора; - 1884 г. — изобретение Теслой генератора AC;
- 1888 г. — демонстрация Теслой многофазной электрической системы, Вестингауз выкупает его патенты;
- 1888 г. — казнь с помощью электрического стула, изобретённого Эдисоном как средство для пропагандистской компании, демонстрирующей опасность технологий Теслы.
- 1893 г. — триумф Westinghouse Electric Company на Чикагской ярмарке.
Определение и свойства
Гальваническая батарея выдаёт стабильную разницу потенциалов на полюсах в течение длительного времени до момента завершения в ней химической реакции. Ток от подобного источника называют постоянным. Простое определение переменного тока, понятное для чайников и приемлемое для специалистов, можно построить от обратного: AC есть поток зарядов в проводнике, периодически меняющий свою величину и направление. В сетях энергоснабжения он регулярно изменяет амплитуду и полярность.
Эти изменения представляют собой бесконечные повторения последовательности идентичных циклов, формирующих на экране осциллографа синусоиду, в отличие от DC, который визуализируется как прямая.
Графическая иллюстрация важна для понимания того, какой ток называют переменным синусоидальным.
Поскольку из определения переменного тока следует, что изменения параметров являются регулярными, переменное электричество обладает рядом свойств, связанных с качеством и формой его отражения на графике. Эти основные свойства можно представить следующим списком:
- Частота. Одно из наиболее важных свойств любого регулярного сигнала. Определяет количество полных циклов за конкретный период. Измеряется в герцах (циклах в секунду). В Европе для сетей электроснабжения составляет 50 Гц, в США и Канаде — 60 Гц.
-
Период. Иногда важно знать количество времени, необходимое для завершения одного цикла электрического сигнала, а не числа циклов в секунду времени. Период — понятие логически обратное частоте, означающее длительность одного цикла в секунду. - Длина волны. Характеристика, похожая на период, но может быть измерена из любой части одного цикла к эквивалентной точке в следующем.
- Амплитуда. В контексте электрического тока — это наибольшее значения АС относительно нейтрального. Математически амплитуда синусоиды есть значение этой синусоиды на пике. Однако если речь идёт о системах питания, то лучше обращаться к понятию эффективного тока. В качестве эквивалента используется количество работы, которую способен сделать постоянный ток при напряжении, равном амплитуде исследуемого переменного тока. Для синусоидальной волны эффективное напряжение составляет 0,707 от амплитуды.
В случае с АС наиболее важные свойства — частота и амплитуда, так как все виды оборудования разрабатываются с учётом соответствия этим параметрам в линии электропередачи. Период требует внимания при проектировании электронных источников питания.
А длина волны, как параметр, становится важен, когда речь идёт о токах со значительно более высокой частотой, чем в сетях энергоснабжения.
Сравнение AC и DC
Направление потока электрической энергии определяет постоянный и переменный ток. Разница в том, что в первом случае заряды перемещаются в одном направлении и непрерывно, а во втором — направление потока меняется через равные интервалы. Последнее сопровождается чередованием уровня напряжения и сменой полюсов на источнике с положительного на отрицательный и наоборот, что делает процессы в нагрузках более сложными, чем в случае с постоянным напряжением.
Ключевым преимуществом DC состоят в том, что его можно легко аккумулировать или создавать в портативных химических источниках. Но использование AC позволяет осуществлять передачу электрической энергии на большие расстояния намного экономичнее. Дело в том, что мощность W=I*V, передаваемая от станции, не в полном объёме доставляется до точки назначения. Часть её расходуется на нагрев линий электропередачи в размере W= I2*R.
Очевидный способ сокращения потерь — уменьшение сопротивления за счёт наращивания толщины проводов. Но для его реализации существует экономический предел: толстые проводники стоят дороже. Кроме того, массивные провода требуют дорогих несущих конструкций.
Задача имеет блестящее решение, если изменить напряжение и силу тока при сохранении мощности. Например, при увеличении V в тысячу раз и соответствующем уменьшении I, значение мощности сохраняется прежним, но потери уменьшаются в миллионы раз, поскольку они находятся в квадратичной зависимости от силы тока. Остаётся проблема преобразования напряжения до безопасных значений при распределении его к потребителям.
Это невозможно в случае с DC, но переменный ток позволяет изменять значения I и V при сохранении мощности с помощью трансформаторов. Энергетические компании используют это свойство для транспортировки электричества. Способность к трансформации и определяет главное, практически применимое отличие переменного тока от постоянного.
Другим важным преимуществом является необычайная простота его производства и возможность реализации в несложных конструкциях электродвигателей. Электрические приводы — наиболее значимый способом применения AC.
Генерация и трансформация
Принцип генерации электричества прост. Если магнитное поле вращается вдоль стационарного набора катушек из витков проводника или, наоборот, катушка вращается вокруг стационарного магнитного поля, то благодаря явлению электромагнитной индукции на концах обмоток возникает разность потенциалов. С каждым изменением угла поворота в результате описанного кругового движения выходное напряжение также будет меняться как по величине, так и по направлению.
Описанный условный генератор при постоянной угловой скорости вращения вала производит синусоидальный AC с формой волны, ничем не отличающейся от поставляемого в бытовой сети. Реальные генераторы устроены значительно сложнее, но работают на том же принципах электромагнитной индукции.
Эти же законы помогают не только в производстве AC, но и в его передаче и распределении. Преобразования напряжения энергетическим компаниями невозможно осуществить без электрических машин, называемых трансформаторами. Вот почему это изобретение Теслы было так важно для революции в транспортировке электричества.
Любой трансформатор состоит из следующих элементов:
- первичной и вторичных обмоток;
- сердечника.
Слово «первичная» применяется для обмотки, на которую подаётся электрическое напряжение, нуждающееся в трансформации. Индуцированное напряжение на вторичной катушке всегда равно приложенному на первичной, умноженному на соотношение витков вторичной к первичной. Трансформатор позволяет пошагово изменять напряжение.
Разность потенциалов, которая получается на выходе, есть расчётная величина, зависящая от соотношения витков обмоток.
Используемые виды
В большинстве случаев под тем, какой ток называется переменным, подразумевают электричество из бытовой сети. Для многих далёких от электрики и электроники людей было бы неожиданностью узнать, что под АС подразумевается значительно более широкое понятие, чем электричество из розетки.
Краткий перечень переменных токов, используемых в сетях питания:
-
Однофазный. Простой вид, переменный по направлению. Коммерческий его тип имеет синусоидальный вид на графике и передаётся по двум проводникам. - Трёхфазный. Электричество для промышленных нужд обычно поставляется в виде трёх отдельных синусоид с пиками амплитуды в трети цикла друг от друга. Для передачи энергии таким способом требуется три (иногда четыре) проводника.
- Двухполупериодный выпрямленный однофазный. Полученный из переменного с помощью выпрямителя таким образом, чтобы обратная половина цикла сменила полярность. Его можно рассматривать как пульсирующий постоянный ток без интервала между импульсами.
- Полностью выпрямленное трёхфазное напряжение. Однополярный ток с небольшой пульсацией. Это свойство выгодно отличает его от DC.
- Полуволновой выпрямленный. Получается после выпрямления AC простейшим образом с обрезанием части с обратной полярностью. В результате получается пульсирующее напряжение с интервалами без разности потенциалов на клеммах.
- Импульсное напряжение. Широко применяется в современной цифровой технике и электронике. Во многих случаях волна не синусоидальной, а прямоугольной формы.
В современных приборах используются самые разнообразные формы тока и нередко одновременно. Даже освещение в XXI веке изменилось неузнаваемо со времён Эдисона. Традиционная лампа накаливания работала непосредственно от сети AC, а её светодиодный аналог предварительно выпрямляет синусоидальное напряжение, преобразуя затем его до нужных параметров без помощи дополнительных устройств.
Однако война токов может иметь своё продолжение в совсем недалёком будущем. Растущее количество источников DC, таких как солнечные батареи и ветряки, стало стимулом для разработки технологий транспортировки постоянного тока на большие расстояния при потерях, сопоставимыми с передачей AC. В мире уже построено несколько таких действующих объектов и, вполне возможно, через некоторое время они продемонстрируют на практике свои преимущества перед классическими энергосистемами.