Электротехнический интернет-журнал Electrik.info

"Электрик Инфо" - онлайн журнал про электричество. Теория и практика. Обучающие статьи, примеры, технические решения, схемы, обзоры интересных электротехнических новинок. Уроки, книги, видео. Профессиональное обучение и развитие. Сайт для электриков и домашних мастеров, а также для всех, кто интересуется электротехникой, электроникой и автоматикой.
 


Услуги электрика | Схемы подключения | Принципиальные схемы | Электроснабжение Розетки и выключатели | Автоматы защиты | Кабель и провод | Монтаж электропроводки Ремонт электротехники | Молодому электрику | Электротехническая продукция

Электрик Инфо » Электрическая энергия в быту и на производстве » Электричество в доме » Война токов 2.0 - как постоянный ток побеждает переменный
25 августа 2022
Количество просмотров: 2538
Комментарии к статье: 4


Война токов 2.0 - как постоянный ток побеждает переменный


Почему дома завтрашнего дня будут работать на постоянном токе

Война токов – краткий экскурс в историю электрических сетей

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

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 км2.

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

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)

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.

Зарядка электромобиля

Зарядка электромобиля

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

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:

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

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

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!

Яков Кузнецов





Поделитесь этой статьей с друзьями:


Другие статьи с сайта Электрик Инфо:

  • Передача постоянного тока в электроэнергетике
  • Почему в электроэнергетике выбран стандарт частоты 50 герц
  • Какой ток опаснее, постоянный или переменный?
  • Будущее за системами электроснабжения постоянного тока?
  • Сравнение двигателей постоянного и переменного тока
  • Тесла, Эдисон и война токов (переменный или постоянный ток)
  • Основы электротехники (Касаткин А.С.)
  • Почему в разных странах различается напряжение и частота в электрической се ...
  • М. О. Доливо-Добровольский - русский новатор-электротехник и его изобретени ...
  • Регулирование напряжения в цепях постоянного тока
  • Категория: Электрическая энергия в быту и на производстве » Электричество в доме

      Комментарии:

    #1 написал: Павел | [цитировать]

    Хорошая статья. Спасибо! Я тоже об этом думал. Обычно мы не осознаем, что используем много приборов и аксессуаров постоянного тока в нашем доме. Мобильные телефоны, планшеты, компьютеры, телевизоры, аудиосистемы и даже светодиодное освещение — все работает от постоянного тока. Не будем также забывать об электрическом мотоцикле, велосипеде или автомобиле. Все эти устройства можно заряжать через разъем USB. Большинство производителей выпускают розетки, оснащенные USB-разъемом, которые имеют встроенный преобразователь (чаще всего импульсный), преобразующий переменное напряжение 230В в постоянное напряжение 5В. Можно представить, что в ближайшем будущем каждый вновь строящийся или рационально реконструируемый объект будет оснащен сетью переменного тока, интегрированной с сетью постоянного тока,  включающую в себя несколько USB-разъемов, с питанием от преобразователя переменного тока в постоянный и обычной электрической сети или с питанием от солнечных панелей или аккумуляторные накопители энергии. Расположенный в центре преобразователь постоянного тока в постоянный используется только для снижения напряжения солнечных панелей или батарей до уровня, необходимого для электронных устройств. Трансформаторы тогда избыточны. Помимо USB-разъемов, к сети постоянного тока можно подключить и цепи освещения. В этом случае отдельные преобразователи не нужны. Что будет в будущем? Есть еще довольно много проблем, которые затрудняют прогнозирование будущего домашней сети постоянного тока. Сейчас все настолько быстро развивается, что в ближайшие годы многое может измениться. 

      Комментарии:

    #2 написал: Василий | [цитировать]

    Как учили в школе .переменный ток при нагрузке много теряет энергии на разворот доменов в проводах ( не категорично)
      Комментарии:

    #3 написал: сергей | [цитировать]

    постоянный ток не подходит для питания на больших растояниях НЕ только из-за большиз просадок напрчжения, а из-за больших потерь, нагреве носителя и его износа (корозии), так что магистральные, городские и пр. сети ни когда не будут больше с постоянным током, проверено на практике в США, НЕВЫГОДНО, чем больше растояние тем больше потери и геморроя...
    иными словами, сам проводник теряет электроны..
    и преобразователи для выравнивания напряжения тут не помогут!
    а вот внутридомовая сеть вполне может быть, один выпрямитель на весь многоквартирный дом, и блоки питания (с выпрямителями) к каждому прибору уже НЕ нужны!!
      Комментарии:

    #4 написал: Сергей | [цитировать]

    Для передачи энергии на большие расстояния требуется высокое напряжение, но передача переменного тока на большие расстояния по воздушным линиям и кабелю неэффективна. Напротив, потери мощности при передаче постоянного тока составляют примерно одну десятую от потерь переменного тока. Тем не менее, инфраструктура передачи постоянного тока относительно дорога в строительстве, не в последнюю очередь потому, что она требует больших и сложных блоков электроники на обоих концах для преобразования ее в или из переменного тока и для повышения и понижения напряжения. Вообще говоря, постоянный ток — лучший вариант для передачи большей мощности на большие расстояния. Передача HVDC существует уже почти 100 лет, но до недавнего времени ее использование было ограничено. Достижения в области электроники, лежащие в основе преобразователей на обоих концах, все чаще делают HVDC предпочтительным решением.

    Добавление комментария
    Имя:*
    Комментарий:

    Присоединяйтесь к нам в социальных сетях:

    ВКонтакте | Facebook | Одноклассники | Электрик Инфо на Яндекс Дзен

     


    Популярные разделы сайта:

    Электрика дома  Электрообзоры  Энергосбережение
    Секреты электрика Источники света Делимся опытом
    Домашняя автоматика Электрика для начинающих
    Практическая электроника Электротехнические новинки
    Андрей Повный - все статьи автора



    Copyright © 2009-2022 Электрик Инфо - Electrik.info, Андрей Повный
    Вся информация на сайте предоставлена в ознакомительных и познавательных целях.
    За применение этой информации администрация сайта ответственности не несет.
    Перепечатка материалов сайта запрещена.