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.
Переменный и постоянный ток: в чем разница, история развития, применение
Детей учат, что пальцы в розетку совать нельзя! А почему? Потому что будет плохо. С более подробным объяснением часто бывают проблемы: какое-то там напряжение, ток, что-то куда-то течет. Чтобы вы в будущем могли сами объяснить своим детям, что к чему, мы сейчас объясним вам. Эта статья про переменный и постоянный токи, их отличия, применение и историю электричества вообще. Науку нужно делать интересной, и мы скромно пытаемся этим заниматься по мере сил.
Например: какой ток у нас в розетках? Переменный, конечно! Напряжением 220 Вольт и частотой 50 Герц. А сеть, по которой передается ток — трехфазная. Кстати, если при словах «фаза» и «ноль» вы впадаете в ступор, почитайте что это такое, и день будет прожит вдвойне не зря! Но не будем забегать вперед. Обо всем по порядку.
Ежедневная рассылка с полезной информацией для студентов всех направлений – на нашем телеграм-канале.
Краткая история электричества
Кто изобрел электричество? А никто! Люди постепенно понимали, что это такое и как им пользоваться.
Все началось в 7 веке до нашей эры, в один солнечный (а может и дождливый, кто знает) день. Тогда греческий философ Фалес заметил, что, если потереть янтарь о шерсть, он будет притягивать легкие предметы.
Потом были Александр Македонский, войны, христианство, падение Римской империи, войны, падение Византии, войны, средневековье, крестовые походы, эпидемии, инквизиция и снова войны. Как вы поняли, людям было не до какого-то там электричества и натертых шерстью эбонитовых палочек.
В каком году изобрели слово «электричество»? 1600 году английский естествоиспытатель Уильям Гилберт решил написать труд «О магните, магнитных телах и о большом магните — Земле». Именно тогда и появился термин «электричество».
Через сто пятьдесят лет, в 1747 году Бенджамин Франклин, которого мы все очень любим, создал первую теорию электричества. Он рассматривал это явление как флюид или нематериальную жидкость.
Именно Франклин ввел понятие положительного и отрицательного зарядов (до этого разделяли стеклянное и смоляное электричество), изобрел молниеотвод и доказал, что молния имеет электрическую природу.
Бенджамина любят все, ведь его портрет есть на каждой стодолларовой купюре. Помимо работы в точных науках, он был видным политическим деятелем. Но вопреки распространенному заблуждению, Франклин не был президентом США.
Дальше пойдет перечисление важных для истории электричества открытий.
1785 год – Кулон выясняет, с какой силой противоположные заряды притягиваются, а одноименные отталкиваются.
1791 год – Луиджи Гальвани случайно заметил, что лапки мертвой лягушки сокращаются под действием электричества.
Принцип работы батарейки основан на гальванических элементах. Но кто создал первый гальванический элемент? Основываясь на открытии Гальвани, другой итальянский физик Алессандро Вольта в 1800 году создает столб Вольта – прототип современной батарейки.
На раскопках рядом с Багдадом нашли батарейку возрастом больше двух тысяч лет. Какой древний айфон с ее помощью подзаряжали — остается загадкой. Зато известно точно, что батарейка уже «села». Этот случай как бы говорит: может быть, люди знали об электричестве намного раньше, но потом что-то пошло не так.
Уже в 19 веке Эрстед, Ампер, Ом, Томсон и Максвелл совершили настоящую революцию. Был открыт электромагнетизм, ЭДС индукции, электрические и магнитные явления связали в единую систему и описали фундаментальными уравнениями.
Кстати! Если у вас нет времени, чтобы самостоятельно разбираться со всем этим, для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы
20 век принес квантовую электродинамику и теорию слабых взаимодействий, а также электромобили и повсеместные линии электропередач. Кстати, знаменитый электромобиль Тесла работает на постоянном токе.
Конечно, это очень краткая история электричества, и мы не упомянули очень много имен, которые повлияли на прогресс в этой области. Иначе пришлось бы написать целый многотомный справочник.
Постоянный ток
Сначала напомним, что ток – это движение заряженных частиц.
Постоянный ток – это ток, который течет в одном направлении.
Типичный источник постоянного тока – гальванический элемент. Проще говоря, батарейка или аккумулятор. Один из древнейших артефактов, связанных с электричеством – багдадская батарейка, которой 2000 лет. Предполагают, что она давала ток напряжением 2-4 Вольта.
Где используется постоянный ток:
- в питании большинства бытовых приборов;
- в батарейках и аккумуляторах для автономного питания приборов;
- для питания электроники автомобилей;
- на кораблях и подводных лодках;
- в общественном транспорте (троллейбусах, трамваях).
Проще всего представить постоянный ток наглядно, на графике. Вот как он выглядит:
Бытовые приборы работают на постоянном токе, но в розетки сети в квартире приходит переменный ток. Практически везде постоянный ток получается путем выпрямления переменного.
Переменный ток
Переменный ток – это ток, который меняет величину и направление. Причем меняет в равные промежутки времени.
Переменный ток используется в промышленности и электроснабжении. Именно его получают на станциях и отправляют к потребителям. Уже на месте преобразование переменного электрического тока в постоянный происходит с помощью инверторов.
Переменный ток — alternating current (AC). Постоянный ток — direct current (DC). Аббревиатуру AC/DC можно увидеть на трансформаторных будках, где происходит преобразование. А еще это название одной отличной австралийской рок-группы.
А вот и наглядное изображение переменного тока.
Переменный ток течет в цепи в двух направлениях: туда и обратно. Одно из них считается положительным, а второе — отрицательным.
Так как величина тока меняется не только по направлению, но и по величине, не думайте, что в вашей розетке постоянно 220 Вольт. 220 — это действующее значение напряжения, которое бывает 50 раз в секунду. Кстати, в Америке используется другой стандарт переменного тока в сети: 110 Вольт и 60 Герц.
Война токов
Активное использование постоянного тока началось в конце 19 века. Тогда Эдисон довел до ума лампочку (1890) и основал первые в Нью-Йорке электростанции, которые производили постоянный ток напряжением 110 Вольт.
Использование постоянного тока было связано с существенными потерями при его передаче на большие расстояния. Переменный ток нельзя было использовать из-за того, что не было соответствующих счетчиков и моторов, работавших на переменном токе. Так же был затруднен процесс преобразования постоянного тока в переменный. При этом переменный ток можно было без потерь передавать на большие расстояния.
В то время в Америку из Сербии приехал Никола Тесла, который устроился на работу в компанию к Эдисону. Тесла изобрел электродвигатель переменного тока, понял все выгоды и предложил Эдисону его использование.
Эдисон не послушал Теслу и к тому же не выплатил ему зарплату. Так и началось знаменитое противостояние изобретателей — война токов.
Она длилась более ста лет и закончилась в 2007 году. Тогда Нью-Йорк полностью перешел на электроснабжение переменным током.
Почему переменный ток опаснее постоянного
В войне токов, чтобы не потерпеть убытки и финансовый крах от внедрения и использования идей Теслы, Эдисон публично демонстрировал, как переменный ток убивает животных. Случай, когда какой-то американский гражданин погиб от удара переменным током, был очень подробно и широко освещен в прессе.
Для человека переменный ток в общем случае действительно опаснее постоянного. Хотя всегда нужно учитывать величину тока, его частоту, напряжение, сопротивление человека, которого бьет током. Рассмотрим эти нюансы:
- Переменный ток частотой 50 Герц в три-четыре раза опаснее для жизни, чем постоянный ток. Если частота тока более 1000 Герц, то он считается менее опасным.
- При напряжениях около 400-600 Вольт переменный и постоянный токи считаются одинаково опасными. При напряжении более 600 Вольт более опасен постоянный ток.
- Переменный ток в силу своей природы и частоты сильнее возбуждает нервы, стимулируя мышцы и сердце. Именно поэтому он несет большую опасность для жизни.
С каким бы током вы не работали, соблюдайте осторожность и будьте бдительны! Берегите себя и свои нервы, а также помните: сделать это эффективно поможет профессиональный студенческий сервис с лучшими экспертами.
- Контрольная работа от 1 дня / от 120 р. Узнать стоимость
- Дипломная работа от 7 дней / от 9540 р. Узнать стоимость
- Курсовая работа 5 дней / от 2160 р. Узнать стоимость
- Реферат от 1 дня / от 840 р. Узнать стоимость
Иван Колобков, известный также как Джони. Маркетолог, аналитик и копирайтер компании Zaochnik. Подающий надежды молодой писатель. Питает любовь к физике, раритетным вещам и творчеству Ч. Буковски.
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.
Чем отличаются и где используются постоянный и переменный ток
В современном мире каждый человек с детства сталкивается с электричеством. Первые упоминания об этом природном явлении относятся к временам философов Аристотеля и Фалеса, которые были заинтригованы удивительными и загадочными свойствами электрического тока. Но лишь в 17 веке великие ученые умы начали череду открытий, касающихся электрической энергии, продолжающихся по сей день.
Открытие электрического тока и создание Майклом Фарадеем в 1831 г. первого в мире генератора кардинально изменило жизнь человека. Мы привыкли, что нашу жизнь облегчают приборы, работающие с использованием электрической энергии, но до сих пор у большинства людей нет понимания этого важного явления. Для начала, чтобы понять основные принципы электричества, необходимо изучить два основных определения: электрический ток и напряжение.
Что такое электрический ток и напряжение
Электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц (носителей электрического заряда). Носителями электрического тока являются электроны (в металлах и газах), катионы и анионы (в электролитах), дырки при электронно-дырочной проводимости. Данное явление проявляется созданием магнитного поля, изменением химического состава или нагреванием проводников. Основными характеристиками тока являются:
- сила тока, определяемая по закону Ома и измеряемая в Амперах (А), в формулах обозначается буквой I;
- мощность, согласно закону Джоуля-Ленца, измеряемая в ваттах (Вт), обозначается буквой P;
- частота, измеряемая в герцах (Гц).
Электрический ток, как носитель энергии используют для получения механической энергии с помощью электродвигателей, для получения тепловой энергии в отопительных приборах, электросварке и нагревателях, возбуждения электромагнитных волн различной частоты, создания магнитного поля в электромагнитах и для получения световой энергии в осветительных приборах и различного рода лампах.
Напряжение – это работа, совершаемая электрическим полем для перемещения заряда в 1 кулон (Кл) из одной точки проводника в другую. Исходя из данного определения, все-таки сложно осознать, что же такое напряжение.
Чтобы заряженные частицы перемещались от одного полюса к другому, необходимо создать между этими полюсами разность потенциалов (именно она и именуется напряжением). Единицей измерения напряжения является вольт (В).
Для окончательного понимания определения электрического тока и напряжения, можно привести интересную аналогию: представьте, что электрический заряд — это вода, тогда давление воды в столбе – это и есть напряжение, а скорость потока воды в трубе – это сила электрического тока. Чем выше напряжение, тем больше сила электрического тока.
Что такое переменный ток
Если менять полярность потенциалов, то направление протекания электрического тока меняется. Именно такой ток и называется переменным. Количество изменений направления за определенный промежуток времени называется частотой и измеряется, как уже было сказано выше, в герцах (Гц). Например, в стандартной электрической сети в нашей стране частота равна 50 Гц, то есть направление движения тока за секунду меняется 50 раз.
Что такое постоянный ток
Когда упорядоченное движение заряженных частиц имеет всегда только одно направление, то такой ток именуется постоянным. Постоянный ток возникает в сети постоянного напряжения, когда полярность зарядов с одной и другой стороны постоянна во времени. Его очень часто используют в различных электронных устройствах и технике, когда не требуется передача энергии на большое расстояние.
Источники электрического тока
Источником электрического тока обычно называется прибор или устройство, с помощью которого в цепи можно создать электрический ток. Такие устройства могут создавать как переменный ток, так и постоянный. По способу создания электрического тока они подразделяются на механические, световые, тепловые и химические.
Механические источники электрического тока преобразуют механическую энергию в электрическую. Таким оборудованием являются различного рода генераторы, которые за счет вращения электромагнита вокруг катушки асинхронных двигателей вырабатывают переменный электрический ток.
Световые источники преобразуют энергию фотонов (энергию света) в электрическую энергию. В них используется свойство полупроводников при воздействии на них светового потока выдавать напряжение. К такому оборудованию можно отнести солнечные батареи.
Тепловые – преобразуют энергию тепла в электричество за счет разности температур двух пар контактирующих полупроводников – термопар. Величина тока в таких устройствах напрямую связана с разностью температур: чем больше разница – тем больше сила тока. Такие источники применяются, например, в геотермальных электростанциях.
Химический источник тока производит электричество в результате химических реакций. Например, к таким устройствам можно отнести различного рода гальванические батареи и аккумуляторы. Источники тока на основе гальванических элементов обычно применяются в автономных устройствах, автомобилях, технике и являются источниками постоянного тока.
Преобразование переменного тока в постоянный
Электрические устройства в мире используют постоянный и переменный ток. Поэтому возникает потребность в том, чтобы преобразовывать один ток в другой или наоборот.
Из переменного тока можно получить постоянный ток с помощью диодного моста или, как его еще называют, «выпрямителя». Основной частью выпрямителя является полупроводниковый диод, который проводит электрический ток только в одном направлении. После этого диода ток не изменяет своего направления, но появляются пульсации, которые устраняют при помощи конденсаторов и других фильтров. Выпрямители бывают в механическом, электровакуумном или полупроводниковом исполнении.
В зависимости от качества изготовления такого устройства, пульсации тока на выходе будут иметь разное значение, как правило, чем дороже и качественнее сделан прибор – тем меньше пульсаций и чище ток. Примером таких устройств являются блоки питания различных приборов и зарядные устройства, выпрямители электросиловых установок в различных видах транспорта, сварочные аппараты постоянного тока и другие.
Для того, чтобы преобразовать постоянный ток в переменный используются инверторы. Такие приборы генерируют переменное напряжение с синусоидой. Существует несколько видов таких аппаратов: инверторы с электродвигателями, релейные и электронные. Все они отличаются друг от друга по качеству выдаваемого переменного тока, стоимости и размерам. В качестве примера такого устройства можно привести блоки бесперебойного питания, инверторы в автомобилях или, например, в солнечных электростанциях.
Где используется и в чём преимущества переменного и постоянного тока
Для выполнения различных задач может потребоваться использование как переменного тока, так и постоянного. У каждого вида тока есть свои недостатки и достоинства.
Переменный ток чаще всего используется тогда, когда присутствует необходимость передачи тока на большие расстояния. Такой ток передавать целесообразнее с точки зрения возможных потерь и стоимости оборудования. Именно поэтому в большинстве электроприборов и механизмов используется только этот вид тока.
Жилые дома и предприятия, инфраструктурные и транспортные объекты находятся на расстоянии от электростанций, поэтому все электрические сети — переменного тока. Такие сети питают все бытовые приборы, аппаратуру на производствах, локомотивы поездов. Приборов, работающих на переменном токе невероятное количество и намного проще описать те устройства, в которых используется постоянный ток.
Постоянный ток используется в автономных системах, таких, например, как бортовые системы автомобилей, летательных аппаратов, морских судов или электропоездов. Он широко используется в питании микросхем различной электроники, в средствах связи и прочей технике, где требуется минимизировать количество помех и пульсаций или исключить их полностью. В ряде случае, такой ток используется в электросварочных работах с помощью инверторов. Существуют даже железнодорожные локомотивы, которые работают от систем постоянного тока. В медицине такой ток используется для введения лекарств в организм с помощью электрофореза, а в научных целях для разделения различных веществ (электрофорез белков и прочее).
Обозначения на электроприборах и схемах
Часто возникает потребность в том, чтобы определить на каком токе работает устройство. Ведь подключение устройства, работающего на постоянном токе в электрическую сеть переменного тока, неминуемо приведет к неприятным последствиям: повреждению прибора, возгоранию, электрическому удару. Для этого в мире существуют общепринятые условные обозначения для таких систем и даже цветовая маркировка проводов.
Условно, на электроприборах, работающих на постоянном токе указывается одна черта, две сплошных черты или сплошная черта вместе с пунктирной, расположенные друг под другом. Также такой ток маркируется обозначением латинскими буквами DC. Электрическая изоляция проводов в системах постоянного тока для положительного провода окрашена в красный цвет, отрицательного в синий или черный цвет.
На электрических аппаратах и машинах переменный ток обозначается английской аббревиатурой AC или волнистой линией. На схемах и в описании устройств его также обозначают двумя линиями: сплошной и волнистой, расположенных друг под другом. Проводники в большинстве случаев обозначаются следующим образом: фаза – коричневым или черным цветом, ноль – синим, а заземление желто-зеленым.
Почему переменный ток используется чаще
Выше мы уже говорили о том, почему переменный ток в настоящее время используется чаще, чем постоянный. И все же, давайте рассмотрим этот вопрос подробнее.
Споры о том, какой же ток в использовании лучше идет со времен открытий в области электричества. Существует даже такое понятие, как «война токов» — противоборство Томаса Эдисона и Николы Теслы за использование одного из видов тока. Борьба между последователями этих великих ученых просуществовала вплоть до 2007 года, когда город Нью-Йорк перевели на переменный ток с постоянного.
Самая главная причина, по которой переменный ток используется чаще – это возможность передавать его на большие расстояния с минимальными потерями . Чем больше расстояние между источником тока и конечным потребителем, тем больше сопротивление проводов и тепловые потери на их нагрев.
Для того, чтобы получить максимальную мощность необходимо увеличивать либо толщину проводов (и уменьшать тем самым сопротивление), либо увеличивать напряжение.
В системах переменного тока можно увеличивать напряжение при минимальной толщине проводов тем самым сокращая стоимость электрических линий. Для систем с постоянным током доступных и эффективных способов увеличивать напряжение не существует и поэтому для таких сетей необходимо либо увеличивать толщину проводников, либо строить большое количество мелких электростанций. Оба этих способа являются дорогостоящими и существенно увеличивают стоимость электроэнергии в сравнении с сетями переменного тока.
При помощи электротрансформаторов напряжение переменного тока эффективно (с КПД до 99%) можно изменять в любую сторону от минимальных до максимальных значений, что тоже является одним из важных преимуществ сетей переменного тока. Применение трехфазной системы переменного тока еще больше увеличивает эффективность, а механизмы, например, двигатели, которые работают в электросетях переменного тока намного меньше, дешевле и проще в обслуживании, чем двигатели постоянного тока.
Исходя из всего вышесказанного можно сделать вывод о том, что использование переменного тока выгодно в больших сетях и при передаче электрической энергии на большие расстояния, а для точной и эффективной работы электронных приборов и для автономных устройств целесообразно использовать постоянный ток.
Что такое электрический ток простыми словами
Что такое короткое замыкание по-простому?
Какие существуют виды источников электрического тока?
Сколько электроэнергии потребляют бытовые приборы, способы вычисления, таблица
Как пользоваться мультиметром – измерение напряжения, силы тока и сопротивления