Постоянный и переменный ток

И двигатели, и генераторы могут быть или постоянного тока, или переменного тока.

Генераторы раньше называли динамо-машинами. При этом генераторы постоянного тока называли собственно "динамо", а генераторы переменного тока – альтернаторами.

Хронологически первыми появились машины постоянного тока.

И не потому, что их было проще изобрести. Первый генератор переменного тока был создан уже через год после открытия закона электромагнитной индукции.

Причины первородства машин постоянного тока были следующие:

а) Все первые потребители электрической энергии питались исключительно постоянным током.
Почему? Потому что источниками электрической энергии до изобретения генераторов были химические источники энергии – гальванические элементы. А они дают постоянный ток.

Первые применения постоянного тока: телеграфия, минное дело, гальванопластика [5].

Одной из причин увеличения спроса на генераторы однофазного переменного тока стали электрические свечи Яблочкова (1876) [65].

б) Явления в цепях переменного тока представлялись запутанными, не поддающимися точному учету. Это вселяло неверие в перспективы развития техники переменного тока. Не проще ли совершенствовать технику постоянного тока? [5].

в) В числе ревностных сторонников постоянного тока были авторитетнейшие ученые 1880-х годов (М. Депре, Д. Лачинов и др.). Это также замедляло развитие этой техники [5].

Но у постоянного тока был очень существенный недостаток.

Когда суммарная мощность потребителей значительно возросла, потребовалась централизация ее выработки, например, на ГЭС.Но это приводило к большому расстоянию между местом производства и потребления электроэнергии. Вставала задача передачи электроэнергии с минимальными потерями. А чтобы снизить эти потери требовалось поднять напряжение. Для переменного тока это было возможно без больших затруднений. Для постоянного тока – нет.

Но переменный ток был более опасен. Именно этот довод был основным у сторонников постоянного тока в электротехнической войне, разразившейся в США во второй половине 1880-х годов. Это противостояние примечательно тем, что во главе его стояли величайшие люди: самый выдающийся изобретатель всех времен и народов Томас Эдисон (на стороне постоянного тока) и промышленник, а ранее тоже изобретатель, Джордж Вестингауз, в "войске" которого была еще одна легендарная личность - Никола Тесла, который изобрел асинхронный двигатель переменного тока.

Парадоксальная ситуация. Величайший двигатель прогресса Томас Эдисон, пользуясь своим огромным авторитетом, выступил тормозом в развитии техники переменного тока. Он возглавлял крупнейшую электротехническую фирму, специализирующуюся на производстве и монтаже установок постоянного тока [5].

Пиком этой войны стало то, что сторона Эдисона продавила решение об использовании для смертной казни нового электротехнического устройства – электрического стула, работающего от генератора переменного тока Вестингауза. Расчет был такой – это отпугнет общественность от переменного тока, как от смертоносного явления.

Но все же передача энергии все решила. Иумение Вестингауза вести бизнес (победа в тендере на освещение Всемирной выставки в Чикаго в 1892 году, победа в тендере на поставку оборудования на Ниагарскую ГЭС в 1893 году). Эдисон оказался в проигрыше.

Капитализм, как каток, переехал обоих. Оба лишились своих фирм. И в названии компании "Дженерал электрик" нет имени Эдисона.

Разберем достоинства и недостатки постоянного и переменного тока.

Имея переменный ток, очень просто получить из него требуемое напряжение — как повышенное, так и пониженное с помощью простейшего трансформатора.

Преимуществом использования переменного тока является также и более простая конструкция генераторов.

Генераторы постоянного тока легко подключаются параллельно[16].

Чтобы подавать от генератора переменного тока в сеть переменный ток, требуется соблюдать фазу[16].

Постоянный ток удобнее для работы систем аварийного электропитания и аккумулирующих станций (станций, которые накапливают энергию в часы "затишья" и отдают в часы пик)[16].

Лампочки лучше работают на постоянном токе[16].

Постоянный ток безопаснее переменного с частотой 50 Гц [17].

Это вытекает из сопоставления значений пороговых неотпускающих токов (50 – 80 мА для постоянного и 10 – 15 мА для тока с частотой 50 Гц) и предельно выдерживаемых напряжений: человек, удерживая цилиндрические электроды в руках, в состоянии выдержать (по болевым ощущениям) приложенное к нему напряжение не более 21 – 22 В при 50 Гц и не более 100 – 105 В постоянного тока [17].

Постоянный ток по сравнению с переменным током того же значения, проходя через тело человека, вызывает более слабые сокращения мышц и менее неприятные ощущения. Обычно это ощущение нагрева кожи при малых токах или внутреннего нагрева при больших токах. Лишь в момент замыкания и размыкания цепи тока человек испытывает кратковременное болезненное ощущение вследствие внезапного судорожного сокращения мышц, подобное тому, которое возникает при переменном токе [17].

Сказанное о сравнительной опасности постоянного и переменного токов справедливо лишь для напряжений до 500 В. При более высоких напряжениях постоянный ток становится опаснее переменного 50 Гц [17].

Переменный ток имеет преимущества при передаче электроэнергии на дальние расстояния [16].

Проблема при передаче: большие потери энергии D Р = I ² R = U ²/ R.

Пути решения:

а) Увеличивать сечение проводов (снижать сопротивление R). Об этом заявлял русский инженер Федор Пироцкий, о том же говорил Вернер Сименс, после посещения Ниагарского водопада [5].

Реализация: практически невозможна из-за огромных затрат на материал проводов.

б) Более прогрессивный путь:поднимать напряжение, что приведет при одинаковой передаваемой мощности электроэнергии к снижению тока. На это одними из первых указали французский академик Депре и русский профессор физики Д.А.Лачинов [5].

Реализация: создавать генераторы на очень высокое напряжение – проблематично из-за изоляции. Требуются преобразователи, увеличивающие выходное напряжение генератора. С появлением трансформаторов это стало делать существенно проще при переменном токе. Постоянное напряжение увеличивать оказалось затруднительно.

Эффективных способов изменять напряжение постоянного тока на тот момент времени не существовало. В электростанциях Эдисона использовалось напряжение, близкое к потребительскому — от 100 до 200 вольт. Такие электростанции могли работать на расстоянии порядка 1,5 км от потребителя [16].

Напряжение переменного тока легко изменяется с помощью трансформаторов (КПД до 99 %). Это даёт возможность как передавать ток по магистральным линиям весьма высокого напряжения на большие расстояния (сотни километров), так и строить сеть высоковольтных линий меньшего напряжения для поставки энергии на трансформаторные подстанции, а затем и потребителям [16].

С другой стороны, при высоких частотах переменного тока начинает ощутимо сказываться скин-эффект (распределение переменного тока преимущественно в поверхностном слое проводника, также известный как поверхностный эффект),отсутствующий при постоянном токе, вынуждающий заменять один толстый проводник пучком тонких[16].

Области применения постоянного тока.

Тяговые электродвигатели на транспорте, кораблях, подводных лодках, на железных дорогах [16].

Электролиз осуществляется только постоянным током. Это довольно мощные потребители (в частности, заводы по производству алюминия)[16].

Низковольтная электроника (микропроцессорные устройства, электросвязь, игрушки, охранная сигнализация и т. д.)[16].

Бортовые сети автомобилей, самолётов и т. д[16].

Системы аварийного питания[16].

Линии электропередачи сверхвысокого напряжения, применяемые для передачи электроэнергии на дальние расстояния и по подводным кабелям. Рассинхронизация сетей по фазе в первом случае и высокая ёмкость ЛЭП во втором делают переменный ток непригодным. В таких ЛЭП применяются ртутные или полупроводниковые выпрямители и преобразователи[16].