В конце XIX – начале XX века между специалистами-электротехниками развернулась самая настоящая «война токов». Основная конкуренция проходила между двумя направлениями систем генерации, электроснабжения и электропотребления: постоянным током (англ. DirectCurrent – DC) и переменным (англ. AlternatingCurrent – AC). В итоге предпочтение было отдано трёхфазным цепям переменного тока. Подсчитав объёмы капитальных затрат на создание систем электроснабжения, промышленники выбрали, казалось бы, самый оптимальный вариант. Но удастся ли переменному току удержать лидерство в современных условиях? Сегодня в ряде областей наблюдается развитие технологий и продвижение проектов на постоянном токе.
Области применения постоянного тока
Линии электропередачи низкого напряжения
В рамках финской программы «Интеллектуальные сети и рынок энергии» в Технологическом университете Лаппеенранты разработан проект системы электроснабжения и связи LVDC (англ. Low voltage direct current). Он предназначается для загородных посёлков с малым числом потребителей и линиями электроснабжения большой протяжённости.
Проект предусматривает замену дорогих традиционных трёхфазных распределительных сетей переменного напряжения 20/0,4 кВ на кабельные подземные линии LVDC (±0,75 кВ).
Прокладка кабеля на глубине более 1,5 м минимизирует зоны отчуждения и не создаёт ограничений для ведения сельскохозяйственных работ. Такое решение существенно уменьшает стоимость сети и её зависимость от погодных катаклизмов.
Каждое здание и сооружение будет подключаться к сети постоянного тока через преобразователи, согласующие напряжение LVDC с напряжением, необходимым потребителю.
Энергоснабжение локальных объектов, микро- и мини-сети постоянного напряжения
Сегодня для обеспечения повышения энергоэффективности всё чаще предлагаются проекты микросетей постоянного напряжения внутри здания (или нескольких зданий) и на локальной территории. На входе таких сетей установлен высокоэффективный преобразователь, превращающий переменное напряжение распределительных линий в постоянное.
Современные локальные сети постоянного напряжения имеют ряд преимуществ, среди которых необходимо отметить следующие:
- общее преобразование из переменного напряжения в постоянное для всех нагрузок уменьшает потери на 10-20%;
- эффективное интегрирование возобновляемых источников электроэнергии, являющихся также источниками постоянного напряжения (солнечные батареи, небольшие ветряные турбины, топливные элементы и др.);
- простое согласование перечисленных источников постоянного напряжения, не требующих взаимной синхронизации;
- эффективное управление графиками нагрузки (включая накопление электрической энергии в периоды избыточной генерации и выдачу в периоды дефицита);
- повышенная электробезопасность сетей постоянного тока.
Транспорт
Не так давно была разработана энергосистема постоянного тока для крупного морского судна гражданского назначения – многоцелевого танкера для обслуживания нефтяных платформ, построенного в Норвегии. Традиционно в судах с электротягой происходит многократное преобразование переменного тока в постоянный для питания винто-рулевых колонок и гребных винтов, на которые приходится более 80% всего электропотребления. Это приводит к большим потерям энергии, снижению общего КПД, а также негативному влиянию на окружающую среду. Компания АББ, лидер в производстве силового оборудования и технологий для электроэнергетики и автоматизации, разработала проект, в котором электроэнергия распределяется через единую цепь постоянного тока. «С помощью нашего решения суда смогут максимально эффективно использовать свои возможности по энергосбережению с применением дополнительных источников постоянного тока, таких как солнечные батареи, топливные ячейки или аккумуляторы, подключенные напрямую к судовой сети постоянного тока», – рассказывает Вели-Матти Рейникала, руководитель подразделения «Автоматизация процессов» компании АББ.
В сравнении с системами на переменном токе спроектированная энергосистема имеет следующие преимущества:
- расход топлива на 20% ниже;
- за счёт отсутствия силовых низкочастотных трансформаторов суммарный вес и объём электрооборудования уменьшен на 30%;
- высвобождается место для размещения оборудования, груза и экипажа, то есть улучшена компоновочная схема танкера.
Управляемый электропривод
Постоянное напряжение широко применяется для обеспечения эффективного регулирования скорости электродвигателей.
С каждым годом управляемый электропривод всё больше проникает в те сферы, в которых раньше считалось достаточным применение обычного неуправляемого привода.
Специалисты уверены, что сочетание инвертор плюс асинхронный (или вентильный) электродвигатель в ближайшем будущем будет всё больше теснить традиционные типы приводов.
А для такого инверторного привода питание постоянным напряжением является естественным и наиболее эффективным.
Бытовая электротехника и электроника
Практически вся современная бытовая техника питается переменным напряжением. Однако почти в каждом современном электроприборе происходит преобразование переменного входного напряжения в постоянное. И именно последнее используется электронными схемами.
Очевидно, что у постоянного тока множество преимуществ перед переменным. Но всё же у такого способа питания оборудования есть целый ряд особенностей, которые необходимо учитывать при разработке топологии электрических цепей и при выборе защитных и коммутационных устройств.
Особенности цепей постоянного тока
1. Направление тока
Электрический ток, называемый «постоянным», имеет неизменные во времени значение и направление. Если рассматривать постоянный ток как прохождение элементарных электрических зарядов через определённую точку, то значение заряда (Q), протекающего через эту точку (а вернее, через поперечное сечение проводника) за единицу времени, будет неизменным.
В системах постоянного тока относительное направление тока имеет особую важность, поэтому необходимо присоединение нагрузки со строгим соблюдением полярности. Ошибки неотвратимо приводят к тяжёлым аварийным процессам.
Например, если аккумуляторная батарея будет подключена к источнику с неправильной полярностью, произойдет её перегрев с дальнейшим закипанием электролита и последующим возможным разрушением ее корпуса, которое обычно носит взрывной характер.
При питании обратной полярностью серьёзные повреждения могут так же возникнуть и во многих электронных цепях.
К полярности чувствительно не только электротехническое оборудование, но и аппараты защиты и коммутации, устанавливающиеся в распределительных щитах. Обычно для того, чтобы избежать ошибок при монтаже электросети, производители наносят на переднюю панель аппаратов специальную маркировку.
«Надо понимать, что работа монтажника достаточно однообразна: в день они собирают десятки однотипных схем. Так что от неточностей, связанных с невнимательностью, не застрахованы даже профессионалы. Случается, что коммутационные аппараты подключают неправильно.
В итоге подача напряжения на распределительный щит может закончиться возгоранием», – рассказывает Илья Лёшин, начальник измерительной лаборатории компании «Центроэлектромонтаж».
Описанная специалистом проблема была актуальна для постоянного тока в течение многих десятилетий. Но в последнее время на рынке появились устройства, не чувствительные к полярности приложенного напряжения благодаря особым конструкторским решениям.
«Использование подобных аппаратов избавляет от множества проблем, – комментирует Алексей Кокорин, менеджер по группе изделий компании АББ, лидера в производстве силового оборудования и технологий для электроэнергетики и автоматизации.
– Так, например, за счёт симметричной конструкции полюса выключатели-разъединители серии OTDC производства АББ не чувствительны к полярности приложенного напряжения. Их можно монтировать внутри щита как вертикально, так и горизонтально, подвод питания осуществляется сверху либо снизу».
2. Электрическая дуга
Одной из проблем, связанных с использованием аппаратов и переменного, и постоянного тока, является электрическая дуга. Она возникает между размыкающимися контактами из-за ионизации воздушного пространства между ними.
В выключателе переменного тока гашение дуги происходит при переходе значения переменного тока через ноль.
После исчезновения разряда, во избежание его повторного появления, необходимо восстановить электрическую прочность воздушного дугового промежутка.
Сделать это можно либо за счёт «принудительной» рекомбинации ионов и электронов, либо с помощью вывода из контактного промежутка заряженных частиц.
В цепях постоянного тока процесс происходит несколько иначе. В общем случае параметры дуги зависят от характеристик цепи, значения тока, а также параметров самой среды: температуры, давления, состава воздуха и т.п.
Существует набор условий, при которых электрическая дуга при размыкании контактов в цепи постоянного тока может устойчиво гореть длительное время.
Таким образом, для её гашения необходимо так изменить параметры процесса, чтобы не существовало точки устойчивого горения.
В аппаратах низкого напряжения применяется два решения: открытый разрыв и щелевые дугогасительные камеры.
В первом случае дуга растягивается, допустим, с помощью электродинамических сил, одновременно охлаждаясь воздухом (способ применяется для токов до 5 кА и напряжений до 500 В).
Во втором – дуга при помощи магнитного поля растягивается и попадает в узкую камеру, где охлаждается (применяется для токов до 90 кА).
«Часто эффективность работы дугогасительных механизмов, в которых задействованы магнитные или электродинамические силы, зависит от величины самого тока. При высоких значениях они справляются со своей задачей, но в некоторых случаях магнитных сил недостаточно, чтобы растянуть дугу до требуемой длины.
Поэтому иногда аппараты дополняются, к примеру, постоянными магнитами, позволяющими расширить рабочий диапазон токов», – поясняет Алексей Кокорин (АББ). Схема, описанная специалистом, используется в аппаратах серии OTDC, где установлена дугогасительная решётка новой конструкции с удлинёнными пластинами специальной формы.
В процессе гашения дуга изгибается в пространстве и растягивается. В то же время для увеличения падения напряжения на ней применяется принцип деионной решётки. Чтобы такой дугогасительный механизм эффективно работал как при низком, так и при высоком напряжении, в него были интегрированы дополнительные постоянные магниты.
Их силы поля достаточно, чтобы перемещать дугу к решётке, даже если значения тока малы.
3. Размер защитных аппаратов должен быть минимальным
Цепи постоянного тока чаще всего применяются именно там, где важна компактность оборудования. «Габариты важны практически во всех отраслях, поскольку любое оборудование занимает дефицитные площади. Кроме того, есть сферы, где важен каждый кубический сантиметр: например, транспорт. При разработке оборудования наша компания уделяет его размерам особое внимание. Например, выключатели нагрузки серии OTDC работают с током 100-250 А при напряжении до 1000 В, имея при этом всего два полюса. Обычно для таких цепей применяются четырёхполюсные автоматические выключатели, имеющие почти в три раза большие габариты. Так как аппараты не чувствительны к полярности, дополнительную экономию места можно обеспечить за счёт удобного варианта размещения модулей в монтажном блоке (вертикально или горизонтально) как на шине, так и без нее, или благодаря более эргономичной подводке питания», – говорит Алексей Кокорин (АББ).
Хотя ещё полвека назад считалось, что постоянный ток окончательно сдал свои позиции, сегодня в рамках разговоров о повышении энергоэффективности систем электроснабжения всё чаще на повестке дня появляются проекты по строительству сетей DC.
Переход промышленности на потребление постоянного тока потребует в первую очередь обновления оборудования и перестройки сложившейся культуры использования энергии.
А правильный подбор коммутационной и защитной аппаратуры для цепей постоянного тока – первый шаг к использованию всех преимуществ подобных сетей.
Интеллектуальная распределительная сеть постоянного тока
На заре человеческих открытий в области электричества и первых попыток его бытового применения разгорелся жаркий спор о том, какой ток лучше использовать для удовлетворения человеческих потребностей: постоянный или переменный? В 1878 году Томас Эдисон основал компанию Эдисон Электрик Лайт (Сегодня это Дженерал Электрик), а в 1880 разработал и запатентовал “технологию трех проводов” для передачи электроэнергии постоянного напряжения. С помощью нулевого провода и проводов +100 и -100 вольт удалось передать электричество на расстояния до 1,5 километров.
Именно ограниченность расстояний и было главным минусом постоянного тока.
Напряжение переменного тока довольно просто изменялось при помощи изобретенного в 1876 году Павлом Николаевичем Яблочковым трансформатора.
Это давало возможность передавать ток на сотни километров, как по магистральным линиям высокого напряжения, так и создавать линии меньшего напряжения для поставки электроэнергии непосредственно потребителям.
Однако на тот момент (да и сейчас) никто не оспаривал факт, что передача электроэнергии током постоянного напряжения несет ряд преимуществ.
При передаче на переменном токе мы сталкиваемся с проблемой — реактивной мощностью, которая составляет существенную часть потерь в линии электропередач.
С реактивной мощностью же связано и неэффективное использование сечения проводника, а соответственно и ограничение по передаче всей необходимой активной мощности.
При передаче на постоянном токе понятие «реактивная мощность» отсутствует вообще, проводник используется на все 100 % активной мощности. Постоянный ток не подвержен поверхностному эффекту (скинн- эффекту), т.е. сечение проводника используется полностью.
Следовательно, при одном и том же сечении проводника на постоянном токе можно передать больше мощности. На постоянном токе нет «злобных» гармоник, которые имеются на переменном. Трёхфазное переменное питание требует четырех проводников, а постоянный ток обходится двумя.
При этом, в напряжении 400В, постоянный ток в 2 раза безопаснее, чем переменный ток промышленной частоты (50 Гц).
Тем не менее, магистральная передача электроэнергии переменным током пока остаётся наиболее надежным и эффективным способом, а вот локальная – распределительная передача электроэнергии, стала более эффективна постоянным.
 |
 |
Таким образом, без модернизации трансформаторов и кабельных трасс распределительных сетей – где именно и существуют максимальные потери, благодаря использованию тока постоянного напряжения 400В а не 220В переменного, по проводнику того же сечения возможно передать в 2-4 раза больше электроэнергии без потерь.
400В постоянного тока, абсолютно соответствует всем нормативам распределительных сетей, и не требуют замены или модернизации как кабельных трасс так и автоматики защиты.
Помимо модернизации существующих сетей, строительство новых распределительных сетей существенно удешевиться, за счёт снижения подводимых мощностей и кабельных трасс.
 |
 |
Применение распределенной сети постоянного тока, позволит сразу увеличить пропускную способность существующих распределительных сетей до 4 раз, и увеличить до 7 раз мощности для потребителя, без строительства новых генерирующих станций и магистральных трасс. При этом суммарные потери в сетях снизятся на 50%-80%, а стоимость внедрения данной технологи в среднем дешевле в 3-4 раза, и быстрее в 10, потому что не нужно строить новые сети и генерирующие мощности.
 |
 |
Так как сеть работает по принципу двойного преобразования, где входное напряжение преобразуется в постоянный ток, а потом обратно в переменный, потребитель и сеть будут защищены от любых гармоник и помех.
Более того, для внешней сети наша система является линейным потребителем — будут отсутствовать реактивные потери, перекосы фаз, гармоники и прочие наводки.
Потребитель же, получит стабилизированное напряжение с возможностью перекоса фаз до 100%.
Данная топология позволит избежать возможности кражи электроэнергии, превышения установленной мощности потребителя, а при необходимости и самого потребления электроэнергии.
Учет потребления электроэнергии может вестись традиционными средствами учета в точке генерации, или непосредственно самим инвертором и автоматически передаваться в управляющий центр.
На пороге второй войны токов: сможет ли постоянный ток завоевать мир?
Постоянный ток продолжает свое все еще медленное, но победное наступление на мир современной электроэнергетики.
Борьба сторонников постоянного и переменного токов, остро развернувшаяся в конце XIX века между Эдисоном, с одной стороны, и Вестингаузом и Теслой, с другой, казалось бы, была окончательно забыта больше, чем на 100 лет, несмотря на то, что последние сети постоянного тока, исторически существовавшие в Нью-Йорке, были переведены на переменный ток только в 2007 году.
Но совершенно неожиданно в последнее время эта борьба возобновилась с новой силой и даже рискует попасть в фокус внимания широкой общественности, когда в прокат наконец выйдет «Война токов» с Бенедиктом Кембербетчем.
Более того, постоянный ток, получивший немалое распространение в сверхвысоковольтных магистральных сетях в ЕС и Китае, продолжает свое наступление — на этот раз на распределительные сети и децентрализованную энергетику.
«Война токов» – новый фильм о противостоянии Томаса Эдисона и Джорджа Вестингауза
В ближайшие 25 лет разные игроки энергетического рынка, включая конечных потребителей, смогут за счет применения постоянного тока снизить свои затраты на электроэнергию — как за счет капитальных, так и за счет операционных расходов — на 30%. Именно так перспективы и преимущества перехода на постоянный ток в распределительных сетях и системах электроснабжения совсем недавно оценили аналитики PWC [1]. Они видят четыре основных драйвера спроса на переход к постоянному току:
- Существенный рост доли устройств, работающих на постоянном токе, как среди генерирующего, так и среди потребляющего оборудования.
- Потребности сетевой инфраструктуры в технологиях для бесшовной зарядки электромобилей и передачи больших мощностей на большие расстояния.
- Быстрое развитие технологий и улучшение технико-экономических показателей преобразовательной техники, используемой в системах и сетях на постоянном токе.
- Появлением отраслевых и государственных стандартов электроснабжения на постоянном токе, например, предложенного EMerge Alliance в США.
Рис. 1. Проект ARDA Power
Результаты наших поисков новых практик применения постоянного тока в распределительных сетях дают очень похожее представление об эффектах реализации этого набирающего силу подхода.
Например, Bosch на основе пилотного проекта электроснабжения спортивного комплекса на постоянном токе в Форте Брэгг (штат Северная Каролина, США), обещает снижение технических потерь в сетях низкого напряжения с 12,5% до 3%, а стоимости владения системой электроснабжения на жизненном цикле 25 лет — на те же 30% , что и PWC. Другой пионер рынка DC-microgrid, американская ARDA Power, на своем пилотном объекте — офисном здании с крышными солнечными панелями и проточной батареей — показывает снижение капитальных затрат на разворачивание DC-microgrid на 60% в сравнении с аналогичным решением на переменном токе.
Рис. 2. Энергоснабжение микрорайона на переменном токе
Свой вариант архитектуры распределительных сетей микрорайона на постоянном токе и оценки ее сравнительной эффективности есть и у нас в рамках архитектурного проекта IDEA. Традиционная схема на переменном токе начинается с ввода в распределительную подстанцию среднего напряжения (20 или 10 кВ).
К линям распределительной подстанции подключены понижающие трансформаторные подстанции, состоящие из двух трансформаторов (основного и резервного) с понижением напряжения 20/0,4 кВ или 10/0,4 кВ. На каждую из линий 0,4 кВ, идущих от этих трансформаторов, подключены дома, питающиеся по двум вводам, один из которых резервный.
На одну трансформаторную подстанцию может приходиться совмещенная нагрузка от 400 кВт до 1 000 кВт, т.е. примерно 10–15 таунхаусов.
Рис. 3. Энергоснабжение микрорайона на постоянном токе
Схема электроснабжения на постоянном токе, которую предлагаем мы, представляет собой замкнутые кольца постоянного тока 880 В — по кольцу на микрорайон. Каждое кольцо опирается на две понижающие тяговые подстанции с одним трансформатором и активными выпрямителями напряжения.
На каждое кольцо подключены все здания микрорайона, каждое здание имеет ввод и вывод, которые могут автоматически, в случае аварийной ситуации, меняться за счет управления уровнем напряжения, так, чтобы поток мощности мог идти по кольцу по любому из направлений.
Это обеспечивает существенное повышение надежности без резервирования трансформаторных мощностей. И в такой схеме вообще нет необходимости в трансформаторных подстанциях.
Преобразователи постоянного тока (DC/DC) предлагается выполнить на размещаемых в зданиях емкостных делителях напряжения, обеспечивающих последовательное понижение напряжения до 440 В и затем до 220 В. В каждом здании разворачивается несколько плеч 440 В и на каждом — несколько плеч 220 В.
Двунаправленный поток мощности в рамках каждого плеча, необходимый, например, для установки микрогенерации, накопителей электроэнергии и реализации локального р2р-рынка электроэнергии между таунхаусами, обеспечивается управлением уровня напряжения в пределах ±10 В от опорного значения.
Для перенаправления потока мощности между плечами или из сети 220 В в сеть 440 В и выше этот поток мощности порциями передается через конденсаторы емкостных делителей и за счет управления уровнем напряжения в другом плече или в сети более высокого напряжения.
Это потребует реализации цифровой системы управления перетоками мощности и набора интеллектуальных интерфейсов между плечами и сетями схемы. При этом накопители энергии могут быть подключены в такой схеме без инверторов параллельно на шину конденсаторов емкостных делителей.
Предлагаемая схема обладает немалым набором преимуществ в сравнении с электроснабжением на переменном токе и хорошим потенциалом эффективности:
- За счет более чем двукратного увеличения напряжения распределительной сети (880 В на постоянном токе против 380 В на переменном) уменьшается сечение линий распределительной сети микрорайона и увеличивается их рабочая длина.
- Подстанции 20/0,88 кВ могут устраиваться как однотрансформаторные с достаточным уровнем надежности.
- Существенно снижается необходимый объем кабельной продукции.
- Сокращается размер отчуждаемой территории под строительство сетевых подстанций и распределительной сети.
- Исключаются проблемы с качеством электроэнергии, уровнем напряжения, гармоническим составом тока и реактивной мощностью.
- Сокращаются технические потери электроэнергии.
- Обеспечивается простая интеграция систем накопления энергии и микрогенерации, в том числе на возобновляемых источниках энергии.
В рамках системы электроснабжения на постоянном токе предлагается снизить расчетную потребную мощность приемников и тем самым уменьшить мощность технологического присоединения с учетом следующих факторов:
- Снижение технических потерь активной мощности до уровня 3–4%.
- Снижение потребности в присоединенной мощности за счет передачи только активной мощности.
- Реализации интеллектуальных алгоритмов управления нагрузкой, работающих в DC/DC-преобразователях в квартирах, не допускающих одновременного включения на полную мощность большого числа потребляющих устройств.
Реализация этих возможностей позволит снизить потребную присоединенную мощностью жилого помещения почти до номинальной мощности двух-трех самых мощных приемников электроэнергии. В целом, можно ожидать снижение потребности в присоединенной мощности в два и даже три раза в расчете на одно помещение. [medium.com]
Редакция благодарит Игоря Чаусова и телеграм-канал Internet of Energy за разрешение на перепечатку материала.
Война электрических токов
АС против DC
Даже те, кто не интересуются электротехникой, наверняка слышали о переменном и постоянном токе. Эти «параметры», например, присутствуют в названии рок-группы AC/DC.
Оно так и переводится – «Переменный ток (AC (Alternating Current) / Постоянный ток (DC (Direct Current). Так вот, из-за этих самых AC и DC «война токов» и разразилась.
Точнее говоря, из-за вполне мирного вопроса о том, какой ток лучше подходит для использования в быту и в промышленности.
Война – весьма точное определение. В её ходе в дело шло все – интриги, подкупы, похищения документов. И даже «электрический стул» для казни преступников во многом стал порождением этой битвы, в которой между собой боролись великие изобретатели и первопроходцы в области применения электричества. Достаточно просто назвать имена: Томас Эдисон, Джордж Вестингауз, Никола Тесла…
«Апологет постоянства» Томас Эдисон
Вырабатывать постоянный и переменный токи научились в первой половине XIX века. И вскоре стал вопрос о практическом использовании электричества – для освещения или, скажем, для приведения в движение станков, в быту и промышленности. Первоначально сделали ставку на постоянный ток.
Большим «фанатом» DC был великий изобретатель Томас Алва Эдисон. Именно он в 1880 году начал электрификацию Нью-Йорка. Первым «электрическим домом» стал четырёхэтажный особняк компании Эдисона на Пятой авеню, где он сам и жил.
Но очень быстро выяснился серьёзный недостаток в работе постоянного тока – его передача на большие расстояния вела к огромным потерям электричества.
Оставалось либо строить электростанции рядом с потребителями (не дальше 2–3 км), либо сначала генерировать переменный ток, подавать его к месту потребления под высоким напряжением (высокое напряжение в генераторах постоянного тока тогда получать не могли), а потом «выпрямлять». Но это было довольно сложно и тоже вело к потерям электричества.
Томас Эдисон
Эдисон предпочитал строить электростанции рядом с потребителями. Для владельцев богатых особняков оборудовали собственные ЭС прямо в подвалах их домов. Правда, иногда дело доходило до курьёзов.
Жена одного миллионера, к примеру, постоянно жаловалась мужу: на их дворе, у воздуховодов, выходящих из их личной подземной ЭС постоянно собираются греться десятки котов, которые своими воплями мешают ей спать.
Однако у линий электропередачи, работавших на DC, имелось и явное достоинство. Эдисон всё время лично лазил по канавам, в которые укладывали провода, и проверял их качество.
Он с гордостью говорил, что может своими руками потрогать любую часть этой системы, даже если она находится под напряжением.
Действительно, ток в системах Эдисона подавался под слабым напряжением, безопасным для жизни человека.
…В 1884 году на работу к Эдисону устроился приехавший в США молодой электротехник из Австро-Венгрии (серб по национальности) Никола Тесла. К тому времени он уже испытал первые модели двигателя, который работал от переменного тока и начинал использоваться в промышленности.
Но Эдисон этого изобретения не оценил, и с Теслой они не сработались. Тесла уже тогда видел будущее за переменным током, а Эдисон о нём и слышать не хотел. Однажды он сказал Тесле: «Те, кто барахтаются на этом поприще, просто тратят время».
Но, как потом выяснилось, он сильно ошибался.
«Морж» Вестингауз
К 1887 году в США существовало более сотни электростанций постоянного тока, работавших по системе Эдисона. Но к тому времени у него уже был серьёзный конкурент – не менее талантливый изобретатель и не менее успешный бизнесмен Джордж Вестингауз. Его называли «моржом» из-за роскошных густых усов.
Вестингауз прославился изобретением воздушного тормоза для железнодорожных вагонов, который используется до сих пор. Но вскоре он тоже увлёкся электричеством. И в отличие от Эдисона, Вестингауз видел будущее за переменным током.
…Свою первую систему электроснабжения на АС он пустил в ход в городе Буффало. К ней тогда подключили аптеку, несколько ресторанов, кабинеты врачей, бильярдный клуб.
Вестингауз активно скупал все полезные, по его мнению, патенты в области электротехники во всём мире. Он, например, купил в Англии патент на недавно изобретённое устройство «трансформатор», которое могло повышать и понижать напряжение тока. По легенде, именно он одним из первых понял, какую революцию может произвести трансформатор в области передачи электроэнергии.
В его системе АС трансформаторы сначала резко повышали напряжение, а затем, при поступлении тока в дома, понижали его до необходимых значений. Это позволяло передавать ток на несколько десятков миль. А следовательно, не строить ЭС прямо в городах, где они мешали жителям своим шумом, дымом и кучами угля.
Перед Вестингаузом стояла ещё одна важная проблема – он никак не мог понять, как можно использовать переменный ток для нужд промышленности. Ведь тогда ещё не было работавших на АС надёжных двигателей, которые крутили станки на заводах или колёса различных транспортных машин. Всё изменилось после того, как он обратил внимание на двигатель Теслы, отвергнутый Эдисоном.
Вестингауз купил у Теслы патент на этот двигатель и ещё несколько десятков патентов на другие устройства. Более того, Тесла согласился работать у Вестингауза, чтобы доработать их. Так в итоге появилась система производства и распределения электроэнергии «Вестингауза-Теслы». Она стала главным конкурентом системы Эдисона.
В 1887 году в Америке уже работала 121 станция Эдисона и 68 станций Вестингауза. Конкуренция между их компаниями обострялась всё больше и больше. А затем началась и настоящая война.
«Война токов» начинается
Считается, что «войну токов» начал Эдисон. В феврале 1888 года в одном из его журналов появился памфлет под названием «Опасность!». В нём гневно обличалась система переменного тока.
Эдисон утверждал – постоянный ток безопасен, а переменный, наоборот, смертельно опасен для жизни и обвинял сторонников АС в «преступной безучастности к безопасности».
«Все электрики, все, кто верит в будущее электричества, должны объединиться в войне за уничтожение этой дешёвки – переменного тока», – писал он.
Чуть позже никому не известный тогда инженер Гарольд Браун написал статью с требованием запретить использование АС с напряжением свыше 300 вольт. До сих пор идут споры – что побудило этого человека вдруг выступить с таким пафосным текстом? Некоторые видят в этом «длинную руку» Эдисона, другие считают, что он просто хотел привлечь внимание к себе. Это ему, несомненно, удалось.
Возмущённый Вестингауз заявил, что Эдисон клевещет. И что число несчастных случаев у Эдисона не меньше, чем среди его, Вестингауза, электромонтёров. Великий Томас тогда промолчал. Но за него почему-то ответил инженер Браун.
Браун пригласил всех желающих на практике убедиться в своей правоте, правоте Эдисона и преимуществах постоянного тока. Эксперименты, которые должны были подтвердить это, оказались настолько жуткими, что потрясли всех. Без сомнения, это была одна из самых позорных и отвратительных страниц не только в «войне токов», но и во всей истории электричества.
Краткая история электричества, или Почему «умные дома» питаются постоянным током
Заказать этот номер
2015
№3
| В современных «умных домах» есть множество электрических помощников, работающих в фоновом режиме и делающих нашу жизнь еще более комфортной. Они включают сигнализацию, регулируют освещение и системы отопления и кондиционирования, блокируют двери гаража и открывают жалюзи на окнах, впуская дневной свет. Практически каждым электронным устройством и электронной системой в доме теперь можно управлять через смартфон или планшетный компьютер.И это только начало. В то время как наши дома по-прежнему подключены к сети переменного напряжения, вся домашняя электроника питается постоянным током. И скоро это будет относиться и к системам освещения! Краткая прогулка по истории электричества объяснит нам, почему именно переменный ток стал стандартом. Глядя в будущее, я хотел бы рассказать о множестве новых решений, которые ждут нас «прямо за углом». |
Все началось в 1881 году на международной электротехнической выставке в Париже, где Томас Алва Эдисон представил всему миру свое новое изобретение — электрический свет, производимый лампой накаливания.
В те времена сети постоянного тока были нормой.
Чтобы сделать свой продукт коммерчески успешным, Эдисону пришлось решать сложнейшую проблему электрификации величайших городов того времени — Нью-Йорка, Лондона и Парижа.
Томас Эдисон работал с сетью 110 В DC. Из-за высокого падения напряжения при прохождении постоянного тока по проводам, энергия могла передаваться только на относительно небольшие расстояния.
Это означало, что источники энергии следовало располагать прямо в центре города, поскольку каждая подстанция могла обслуживать здания в радиусе не более 1,5 км.
Сегодня это трудно себе представить, однако такие электростанции действительно были построены во всех крупных городских центрах.
Очень быстро стало очевидным, что сети постоянного тока не могут обеспечивать разумные экономические показатели на менее застроенных территориях.
Поэтому Джорджу Вестингаузу вскоре пришла в голову идея перевести передачу энергии на переменный ток, который имеет два серьезных преимущества: уровень АС-напряжения легко повысить с помощью трансформатора и для его передачи можно использовать более длинные и тонкие провода без существенных потерь мощности.
Эти изобретатели стали главными противниками в «войне токов», происходившей в начале 1890-х.
В конце концов, Вестингауз взял верх, не в последнюю очередь благодаря помощи Николы Теслы — создателя многофазной асинхронной машины переменного тока.
Вот почему у нас в домах все еще используется АС-сеть, в то время как миллиарды работающих во всем мире источников питания снабжают нашу домашнюю электронику постоянным током.
Возрождение постоянного тока?
Сможет ли экономичный «умный дом» будущего открыть новую эру постоянного тока? И станет ли DC-сеть снова привлекательной? Эти вопросы оказываются не настолько надуманными, как может показаться на первый взгляд.
Давайте просто взглянем на солнце, которое дает нам энергию изо дня в день и при минимальных затратах.
Таким образом, фотоэлектрические солнечные станции способны стать одними из самых популярных источников энергии для тех домовладельцев, которые хотят меньше зависеть от центральных сетей.
Однако оба эти основных источника энергии не всегда совместимы. Практически все наши здания подключены к сетям переменного тока. То есть энергию, получаемую от солнечных панелей, нельзя использовать без преобразования в стандартное АС-напряжение 230 В/50 Гц. Даже с учетом того, что эффективность современных инверторов превышает 95%, часть мощности все равно теряется.
Энергия солнечного света не всегда доступна, например в вечернее время, когда мы в ней особенно нуждаемся. Именно поэтому фотоэлектрические станции, как правило, работают на основную сеть.
В недавнем прошлом это было очень выгодно, поскольку тарифы на электроэнергию искусственно поддерживались на высоком уровне.
Во время нынешней рецессии государственная поддержка возобновляемых источников энергии постепенно уменьшается, и подключение солнечных панелей к питающей сети больше не является столь привлекательным решением, как было несколько лет назад.
Собственники фотоэлектрических станций, следовательно, должны пересмотреть систему электроснабжения зданий таким образом, чтобы использовать постоянный ток от солнечных батарей для своих собственных нужд.
Это может быть сделано с помощью независимой сети постоянного тока для снабжения потребителей.
Избыток энергии может запасаться в буферной батарее, обеспечивающей подачу энергии, когда солнечный свет отсутствует.
На рис. 1 показана структура домашней DC-сети, которая вскоре может стать стандартной для «умного дома». Внутренние источники постоянного тока обеспечивают энергией бытовую технику, систему освещения и элементы управления зданием. Идеальным считается питание от сети 24 В DC — такой уровень напряжения наиболее эффективен с учетом длины и сечения кабелей.
Рис. 1. Внутренняя разводка сети постоянного тока, генерируемого фотоэлектрической станцией (синяя цепь), буферной батареей и преобразователем электромобиля (центральная АС-сеть (красная цепь) подключена к наиболее мощным потребителям, она также служит в качестве резервного зарядного устройства для аккумулятора)
В тех случаях, когда солнечного света недостаточно для подзарядки аккумулятора, она может осуществляться от центральной сети 230 В AC. Следовательно, «умные дома» пока не могут полностью отказаться от использования этой цепи.
К ней подключаются крупные бытовые приборы, такие как стиральные машины, холодильники, электрические плиты, а также водогрейные котлы и тепловые насосы, причем система управления отоплением может питаться от сети постоянного тока.
Много ли потребителей у постоянного тока?
Зачем мы вообще рассматриваем вопрос об использовании DC-сети? Разве не очевидно, что большинство электрических приборов в наших домах рассчитано на питание от сети переменного тока? Однако на самом деле это не совсем верно.
У множества современных бытовых приборов основную мощность потребляют не электромоторы, а электронные компоненты. Как правило, они созданы с применением полупроводниковых технологий, поэтому рассчитаны на работу с постоянным током.
Иными словами, в действительности АС-напряжение 230 В/50 Гц из нашей розетки преобразуется в напряжение 24, 12 или 5 В постоянного тока, которое затем подается на электронное устройство.
Стереосистемы, персональные компьютеры и другая оргтехника оснащены множеством источников питания, снабжающих различные внутренние узлы с определенным уровнем потребления постоянного тока.
Такой подход не является расточительным, поскольку, когда устройство находится в эксплуатации, эффективность источника питания, как правило, превышает 90%. Однако в режиме ожидания расход энергии оказывается неоправданно большим. И будем честными: большинство устройств в наших офисах и домах находится в режиме ожидания большую часть времени, потребляя энергию без какой-либо цели.
К счастью, такая ситуация в ближайшее время изменится благодаря новой Директиве Европейского союза по энергопотребляющим устройствам — EuP (Energy-using Products).
В соответствии с этим документом с начала 2013 года электронные устройства в режиме ожидания не должны потреблять больше 500 мВт (для дисплеев: 1 Вт).
Для удовлетворения требованиям директивы блок питания должен включать небольшой AC/DC-модуль и реле, как показано на рис. 2. Это единственный способ сократить энергопотребление в режиме ожидания ниже заданного предела.
Рис. 2. Режим ожидания с применением маломощного AC/DC-модуля для обеспечения минимального потребления энергии (например, RAC03, 80 мВт). Вход основного источника питания коммутируется через реле
Самые энергоемкие потребители энергии зачастую даже не очень заметны. Мы говорим сейчас о зарядных устройствах, которые в больших количествах обнаруживаются в наших домах и офисах. Обычно это простые и недорогие изделия, их типовая схема показана на рис. 3.
Самой проблемной частью данного устройства с точки зрения потерь мощности является линейный регулятор напряжения (например, серии LM78). Применение этого узла снижает эффективность использования энергии до совершенно недопустимых величин: от 60 до 65%.
Несмотря на то, что можно значительно повысить эффективность преобразования (>95%), установив импульсный регулятор напряжения (например, серии R-78), большинство производителей электроники не хочет тратить лишние деньги.
Возникает вопрос: справедлив ли этот подход в отношении потребителей, которые в конечном счете получают более высокие счета за электроэнергию?
Рис. 3. Зарядное устройство с энергоемким линейным регулятором
С развитием LED-технологий системы освещения также становятся электронными устройствами, потребляющими постоянный ток. Однако светодиоды нельзя подключать непосредственно к DC-сети: для управления LED-лампой необходим специальный AC/DC-драйвер.
Мощность домашних светодиодных светильников, как правило, находится в диапазоне 15-30 Вт (учитывая, что 25-Вт LED-лампа обеспечивает такой же уровень освещения, как лампа накаливания мощностью 100 Вт).
Отметим, однако, что эффективность AC/DC LED-драйверов в этом диапазоне редко превышает 80%.
Данный пример показывает, что питание электронных устройств от источника переменного тока приводит к потере 15-20% потребляемой энергии. Использование домашней DC-сети позволяет устранить эти проблемы «одним ударом».
Если мы учтем мощность, рассеиваемую при преобразовании энергии солнечных панелей (минимум 5%), то общий уровень потерь увеличится примерно до четверти потребляемой мощности. Это явно не по карману потребителю во времена постоянно растущих расходов на электроэнергию.
Журавль в небе?
Можно подумать, что сети постоянного тока целесообразно использовать только в новых зданиях, поэтому их внедрение не оказывает большого влияния на общее энергопотребление. Однако, вероятно, имеет смысл прямо сейчас начать разработку и внедрение концепций, ориентированных на будущее, даже если они подходят не для всех нынешних потребителей?
Более того, уже есть решения, которые можно успешно интегрировать в существующие системы переменного тока. Хорошим примером является источник питания RAC03-SCR, разработанный компанией RECOM (рис. 4, слева). Благодаря компактному дисковому корпусу он встраивается
Рис. 4. Плоский дисковый модуль RECOM для установки в обычные розетки (слева) и комплект для монтажа модулей RAC01-RAC10 на универсальную DIN-рейку (справа)
в обычную розетку.
Этот модуль с легкостью интегрируется даже в стандартный выключатель или гнездо розетки, что делает его идеальным для применения в экономичных источниках питания устройств управления настенными дисплеями электрических ставен, жалюзи и систем освещения. Блок RAC03-SCR также удобен для зарядки мобильных телефонов и других подобных устройств, поскольку он встраивается в настенный USB-коннектор.
Поскольку блоки управления часто устанавливаются в распределительные щитки, хорошим решением для данного случая является монтаж компактных источников питания на верхнюю DIN-рейку.
Это легко сделать с помощью универсального DIN-адаптера (рис. 4, справа), разработанного RECOM для своих AC/DC-модулей.
Существует возможность индивидуальной настройки таких блоков в диапазоне мощности от 1 до 10 Вт.
Эдисон был бы счастлив узнать, что его идеи переживают настоящий Ренессанс. Нет сомнения, что в ближайшем будущем самые «умные дома» будут получать энергию от возобновляемых источников постоянного тока. А сейчас почему бы не начать экономить энергию с помощью интеллектуальных новинок, таких как плоский модуль питания RECOM?
—>
Сообщить об ошибке
Если Вы заметили какие-либо неточности в статье (отсутствующие рисунки, таблицы, недостоверную информацию и т.п.), просьба сообщить нам об этом. Пожалуйста укажите ссылку на страницу и описание проблемы.