Простой способ визуализировать различие между постоянным и переменным токами — построить графики зависимости их направления от времени. Первый будет выглядеть как прямая, а второй как волнообразная линия. Один цикл этой кривой и есть графическая основа того, как обозначается переменный ток на схемах и пиктограммах (~), а аббревиатура AC (Alternating Current) устоялась как общепризнанный термин в текстах.
Обозначения DC и AC
Все проводники имеют свободные электроны, способные перемещаться в присутствии разности потенциалов. Этот поток заряженных частиц в замкнутом контуре называется электрическим током. Если электрический заряд движется только в одном направлении, то это явление называется постоянным электрическим током, его обозначение «—» или DC (Direct Current).
Определение переменного тока можно вывести от обратного: это будет движение зарядов, меняющих своё направление на периодической основе. Колебания АС могут принимать самые разнообразные формы, например:
- пилообразную;
- квадратную;
- треугольную;
- синусоидальную.
Синусоидальный AC ток — это тот тип энергии, который транспортируется по современным электрическим сетям. Его огромное преимущество для энергосистем в том, что он позволяет достаточно просто изменять передаваемое напряжение с помощью трансформаторов, а такую форму волны легко генерировать. Эти качества позволяют экономить огромное количество денег и материальных ресурсов при производстве и передаче электроэнергии на значительные расстояния.
Проиллюстрировать выгоды от использования АС энергокомпаниями можно на следующем примере. Допустим, что в качестве генерирующей мощности есть электростанция, которая способна производить 1 млн ватт энергии.
Для наглядности удобно будет рассмотреть 2 способа её транспортировки:
- Передать по сетям 1 млн ампер с напряжением 1 вольт.
- Транспортировка тока силой в 1 ампер и напряжением 1 млн вольт.
Главное отличие заключается в следующем: во втором случае для передачи энергии потребуется проводник небольшой толщины, в то время как в первом — без кабеля с огромным сечением не обойтись. Поэтому энергетические компании преобразуют сгенерированную энергию в AC с очень высоким напряжением для транспортировки, а затем понижают в непосредственной близости от потребителей.
Ещё одним преимуществом AC для энергокомпаний является превосходство в надёжности и простоте генераторов переменного тока в сравнении с динамо. Кроме того, AC обладает такими преимуществами:
- позволяет эксплуатировать сравнительно более эффективные, простые и надёжные электрические машины;
- не разрушает коммутационные устройства.
Вся электроника и цифровая техника потребляет DC. Как правило, генерация постоянного тока производится с помощью электрохимических и гальванических элементов. Это сравнительно дорогие способы получения электричества, поэтому существует немало конструкций устройств, преобразующих AC в DC, основанных на предотвращении протекания тока в обратном направлении и выпрямлении синусоиды с помощью фильтров.
В комбинации с трансформаторами выпрямители позволяют получать из сети DC требуемых параметров и высокого качества.
Идеи Эдисона
Современную жизнь невозможно представить без электричества. Для того чтобы оно служило в гражданских и промышленных целях, его необходимо не только произвести, но и доставить потребителю. Первым, кто решил производить электроэнергию в большом объёме и транспортировать её на заводы, в офисы и домашние хозяйства, был американский предприниматель Томас Эдисон — один из самых влиятельных изобретателей мира.
Для реализации своей идеи он спроектировал и испытал паровые генераторы постоянного тока, счётчики электрической энергии и элементы распределительных сетей. Провести первую электрификацию освещения было в то время непросто. Владельцы газовых компаний рассматривали Эдисона как опасного конкурента, способного поставить существование их предприятий под угрозу. Но изобретателя ничто не могло остановить. Ни колоссальная стоимость прокладки кабелей в тротуарах, ни аварии во время испытаний не помешали ему в сентябре 1882 г. запустить первую осветительную сеть из пяти тысяч ламп.
Через 5 лет работало уже более 50 электростанций Эдисона. Несмотря на большой успех изобретателю не удалось расширить географию своих электрических сетей на весь мир. Жители районов, в которых находились электростанции, жаловались на дым и копоть, и добились закрытия производств Эдисона. Таким образом, первое поколение угольных электростанций со временем прекратило свою работу, уступив место тысячам новым, генерирующим AC.
Победа Теслы
Бо́льшая часть раннего распределяемого электричества была постоянным током, а стандартов для потребителей не существовало. Например, дуговые лампы нуждались в нескольких тысячах вольт, а лампы накаливания Эдисона требовали 110 В, трамваи Сименса работали от 500 В, а промышленные двигатели на предприятиях могли в разы отличаться по напряжению.
Электрические компании вынуждены были создавать и содержать одновременно несколько генерирующих линий для различного класса нагрузок. Можно сказать, что для повсеместного использования сетей DC было два серьёзных препятствия:
- близость генераторов к нагрузкам;
- сложности с обеспечением разнообразия напряжений.
Хорватский учёный Тесла, работавший с Эдисоном, считал, что использование переменного тока в электрических сетях может решить эти проблемы. Их разногласия относительно перспектив переменного напряжения закончились тем, что исследователь АС продолжил свои работы уже с конкурентом Эдисона — Джорджем Вестингаузом. Тесла не открыл переменный ток, но был изобретателем синхронного генератора и асинхронного двигателя, а также автором патентов, касающихся работы многофазных устройств.
Преимущества AC для генерации и транспортировки были очевидны, но Эдисон, вместо того, чтобы признать это, оставался твёрд в продвижении DC и пытался дискредитировать своих конкурентов. Он начал популяризировать идеи о том, что АС смертоносен для животных и людей. Например, Эдисон даже стал изобретателем электрического стула на переменном токе с целью получить основания для пропагандистской компании, посвящённой опасности АС.
Несмотря на то что антирекламная кампания прошла успешно и дала ощутимые плоды, радость победы для Эдисона была недолгой. В 1892 г. немецкий физик Поллак изобрёл механический выпрямитель, с помощью которого стало возможным заряжать электрические батареи, и существование транспортировки DC потеряло своё последнее оправдание. Уже в 1893 году Чикагская мировая ярмарка была освещена от сети АС, что стало началом триумфа переменного тока в XX веке, а конкурентные события между изобретателями вошли в историю как «война токов».
Ренессанс электрической войны
Рост использования источников возобновляемой энергии в XXI веке привёл к появлению децентрализованных электросетей небольшого масштаба с потреблением электричества практически на месте производства. Для таких энергосистем преимущества AC не имеют никакого значения, поэтому применение в них постоянного тока оправдано.
Современная высокопроизводительная электроника осуществила прогресс в преобразовании энергии и позволяет трансформировать постоянный ток в диапазонах напряжений до 800 тыс. вольт с большей эффективностью, чем в электрических машинах АС. Эти инновации стали основой для строительства высоковольтных линий постоянного тока (HVDC) для передачи избыточной солнечной или ветровой энергии из одних регионов в другие. Строительство HVDC обходится приблизительно вдвое дороже традиционных, но из-за низких потерь и экологичности всей системы подобные инвестиции оправданы.
Всё большее количество электроприборов требуют постоянного тока. Компьютеры, светодиодное освещение и другие электронные устройства нуждаются в преобразовании и выпрямлении сетевого электричества. В ближайшие годы ожидается рост количества электрических транспортных средств. Современные распределительные системы DC способны со временем исключить в быту преобразователи напряжения и легко интегрировать в бытовые и промышленные сети фотоэлектрические элементы и накопительные батареи.
Передача высоковольтного DC в настоящее время уже проверенная и отработанная технология в таких странах, как Германия и Китай. Но для практической повсеместной реализации остаётся ещё много нерешённых вопросов. Как обе технологии будут сосуществовать? Что будет эффективными мерами безопасности? Какие технические и юридические мероприятия потребуются для перехода на постоянный ток? Преимущества и масштабы подобных изменений настолько значительны, что, видимо, речь идёт о смене парадигмы.
