В начале двадцатого века между специалистами шли ожесточенные споры о преимуществах и недостатках использования для целей электроснабжения цепей постоянного и переменного токов. Сложилось так, что предпочтение было отдано трехфазным цепям переменного тока. Промышленники, подсчитав объемы капитальных затрат на создание систем электроснабжения, выбрали, казалось бы, самый оптимальный вариант.
Решающую роль в повсеместном распространении трехфазных сетей переменного тока сыграла простота получения вращающего момента при минимальном числе фаз. Против постоянного тока выдвигались такие аргументы, как высокая стоимость и малая надежность двигателей, сложность преобразования энергии. Но это было тогда. Что же сейчас? Практический опыт, полученный за многие годы развития электроэнергетики, дает, на мой взгляд, убийственные результаты.
Первое. Из курса теоретических основ электротехники известно, что для передачи максимальной мощности в нагрузку в цепях переменного тока должно выполняться условие равенства сопротивления источника сопротивлению линии и сопротивлению нагрузки. Из этого следует, что теоретически достижимый КПД для цепей переменного тока составляет 33%.
Практические схемы электроснабжения для снижения потерь на транспортировку энергии предусматривают определенное число преобразований напряжения. Как минимум это не менее пяти преобразований, в каждом из которых используется свой трансформатор. Если принять КПД каждого оптимально нагруженного трансформатора равным 0,9, то общий КПД трансформации составит 0,9 0,9 0,9 0,9 0,9 = 0,59049, а КПД электроснабжения - 0,33 0,59049 = 0,1948617.
Учитывая то, что мощность трансформаторов выбирается с учетом утренних и вечерних максимумов нагрузок, их реальный средневзвешенный КПД трансформаторов ниже 0,9, следовательно, и реальный КПД электроснабжения ниже 0,195. И это без учета токов утечек, реактивных токов, гармоник и прочих прелестей.
Исследования, проведенные К. В. Яловегой на металлургических комбинатах, показали, что на валу рабочей машины мы имеем в виде полезной энергии всего около 2,4% от энергии, подведенной к валу генератора на электростанции. Не случайно эффективность отечественных ВЭУ при работе на единую энергосеть едва достигает 11%.
Второе. Тот же Н.В. Яловега предложил устанавливать в трехфазных асинхронных электродвигателях переменного тока ортогональные совмещенные обмотки, у которых угол сдвига между фазами имеет два значения - 120 и 90 градусов. Он доказал, что если бы было принято четырехфазное электроснабжение, то выработку электроэнергии можно было бы сократить в три-четыре раза при той же полезной роботе.
Повсеместное применение асинхронных двигателей с ортогональными обмотками позволило бы сократить выработку электроэнергии в среднем в три раза. Это объясняется тем, что около 70% электроэнергии потребляется именно асинхронными двигателями. Таким образом, выбор трехфазной системы токов был, мягко говоря, не оптимальным.
Третье. В советские времена была построена реверсивная система передачи электроэнергии постоянного тока, соединяющая Волжскую ГЭС и Михайловскую подстанцию (Донбасс) напряжением 750 кВ. Практика эксплуатации системы показала ее высокую эффективность. Было доказано, что использование постоянного тока для передачи электроэнергии на большие расстояния имеет явные преимущества перед системой переменного тока. КПД в цепях постоянного тока может достигать 90% и более. Не напрасно энергокомпании Японии и США неоднократно предпринимали попытки выкупить оборудование подстанций постоянного тока.
Таким образом, мы все стали заложниками сложившейся в энергетике ситуации. Мы вынуждены оплачивать все затраты на транспортировку и распределение энергии при централизованном электроснабжении. Иначе обстоит дело при создании автономных систем электроснабжения. Потребитель сам волен выбирать, что для него лучше, переменный или постоянный ток. Единственное ограничение накладывают конечные нагрузки, которые не могут работать в цепях постоянного тока. Но и это на сегодняшний день не проблема.
Почти за сто лет преобразовательная техника претерпела существенные изменения, и если еще 25 лет назад инверторы и полупроводниковые преобразователи были прерогативой оборонной промышленности, то сегодня они находят повсеместное применение в промышленности и быту. Многие бытовые приборы имеют импульсные блоки питания, которые могут работать как в цепях переменного, так и постоянного тока.
Поэтому при создании автономных источников электроэнергии лучше отдавать предпочтение постоянному току. Однако и в этом случае не без проблем.
Если прорисовать полную схему автономного электроснабжения с использованием инвертора, то становится ясно, что в цепи между источником и потребителем последовательно будет включено не менее трех р-п-переходов. На каждом переходе падение напряжения составит около 1,5 В, суммарное падение напряжения составит не менее 4,5 В. Плюс остальные потери.
Поэтому при создании автономных источников энергии с использованием инверторов применение низковольтных генераторов 14, 28 В нецелесообразно. Предпочтение следует отдавать генераторам со стандартным для бытовых сетей выходным напряжением 230 В. И если есть возможность перевести питание оборудования на постоянный ток, лучше ею не пренебрегать.
К такому выводу мы пришли, занимаясь разработкой автономных источников электроснабжения. Было бы интересно узнать и другие мнения. Возможно, что они кардинально изменят не только наши взгляды на существующую проблему.
A.B. Пижанков. С.И. Левачков
