Меню

Потребители постоянного тока в быту

Потребители постоянного тока в быту

Общеизвестным фактом является то, что сеть постоянного тока имеет ряд преимуществ перед сетью переменного тока, основные из которых:

— уменьшение потерь при передаче энергии;

— повышение уровня электробезопасности, так как минимальный порог напряжения при переменном токе равен 2В, при постоянном токе 8В;

— по ЛЭП сети постоянного тока, при отсутствии трансформаторов, можно передавать некоторые виды сигналов (таких как кабельное телевидение, телефонная связь и др.).

Но основным недостатком сети постоянного тока является невозможность трансформации напряжения, т.е. для того чтобы повысить или понизить многократное напряжение нужно сначала превратить его в переменную, а после трансформации вновь в постоянное. Этот недостаток, по мнению многих, пока преобладает над преимуществами.

Цель исследования

В последние 10-15 лет в связи с ростом количества нелинейных потребителей переменного тока напряжением до 1000 В и особенно однофазной нагрузки резко возросли потери электроэнергии при ее транспорте от источника генерации до потребителя. Существенный рост потерь происходит из-за сильного искажения формы тока, ассиметричного протекания рабочих токов в кабельных и воздушных линиях, в трансформаторах, во внутридомовых электрических сетях. Передача избыточной реактивной мощности также существенно снижает пропускную способность электрических линий и силовых трансформаторов.

Трехфазный ток по происхождению предназначен для промышленности и тяжелой индустрии, для передачи электроэнергии на дальние расстояния. Он, собственно, для этого и был изобретен. Применение постоянного тока для электроснабжения электроустановок зданий предлагается как один из альтернативных вариантов для электроснабжения сектора экономики с однофазной нагрузкой с целью существенного снижения потерь электроэнергии (по предварительным оценкам до 20%).

В основе данного предложения лежат следующие положения:

1. Схема электроснабжения на постоянном токе симметрирует однофазную нагрузку в трехфазной сети и силовых трансформаторах в результате применения в ней двенадцатипульсного выпрямителя. Наработка на отказ современной силовой электроники достаточно высокая, имеется опыт эксплуатации данного оборудования в электрофицированном транспорте и специальных объектах.

2. Постоянный ток по самой своей природе не имеет гармонических токов и реактивной составляющей электроэнергии. Это также снижает потери электроэнергии при ее передаче по линиям электропередачи, в трансформаторах, в сетях потребителя в целом до 20% .

3. Большинство техники, использующейся в быту и офисах, может работать на постоянном токе, так как в основе их работы лежит принцип выпрямления переменного тока и преобразование его в частотных преобразователях по структурам техники для применения или выполнения разных функций, например для регулирования скорости вращения двигателей, изменения звука, цвета и т.п. Кроме того, промышленностью выпускается оборудование, непосредственно работающее от постоянного тока.

4. Учет электроэнергии постоянного тока не имеет привнесенных погрешностей в отличие от переменного тока с искаженной формой.

5. Постоянный ток практически не создает в окружающей среде переменное электромагнитное поле, влияющие на физиологию человека, т.е. в электроустановках с постоянным током электромагнитная обстановка чистая и безопасная.

6. В качестве источника постоянного тока для электроснабжения жилых домов, кроме основного источника, можно использовать аккумуляторы и альтернативные источники электроэнергии. При этом нетрадиционные источники электроэнергии можно использовать напрямую без преобразования и синхронизации, что существенно упрощает и удешевляет их применение [1].

В настоящее время постоянный ток можно применять во внутренних и уличных сетях освещения [4].

Результаты исследования

Потери электроэнергии сегодня подсчитываются экономическим путем и не соотносятся с техническими причинами, порождающими эти потери. Повышение эффективности расходования энергоресурсов в основном связано с дальнейшим использованием энергосберегающей техники. В основе данного подхода вновь лежит экономический подход, когда счетчик электроэнергии показывает меньшую величину. Причина увеличения потерь в линиях, во внутридомовых сетях и трансформаторах остается неизменной, и, следовательно, использование энергоэффективной техники не решает проблему сокращения потерь, а наоборот приводит к их росту и искажению показаний приборов учета электроэнергии и измерительных трансформаторов.

На сегодняшний день нет исследований по потерям в силовых трансформаторах, связанных с асимметричным режимом их работы и протекании в них несинусоидальных токов. Также неизвестно, как растут потери электроэнергии при протекании в линиях электропередачи искаженного и ассимметричного тока нагрузки. Очевидным остается тот факт, что потери при таких режимах растут, количество генерируемой энергии лишь частично доходит до потребителя.

Переход энергетической системы сразу на постоянный ток экономически невозможен, так как для этого потребуется переоборудовать уже существующую систему с сетью переменного тока. Есть замену генераторов переменного тока на генераторы постоянного тока. Пока возможен вариант использования сети постоянного тока при автономном энергоснабжении.

При автономном бытовом электроснабжении с помощью систем генерации из возобновляемых источников энергии таких, как солнце, ветер и вода экономически эффективнее будет использовать сеть постоянного тока [5]. Основные ее преимущества в некоторых системах генерации возобновляемыми источниками энергии:

— при применении солнечной электрической системы, генерируется постоянный ток, не требуется использование инверторов, что уже уменьшает потери почти на 20%;

— применяя ветровые электрические системы, генерируется переменный ток, но возможен вариант генерации постоянного тока. При отсутствии ветра сеть питают аккумуляторы, это тот же постоянный ток, стоимость батарей занимает почти половину стоимости всей системы, то есть мы избавимся инвертора, чем уменьшим потери и тем самым количество аккумуляторных батарей для системы;

— при использовании мини-гидроэлектростанции система может генерировать как переменный, так и постоянный ток.

Главным преимуществом сети постоянного тока является возможность изготовления и использования бытовых приборов постоянного тока. При этом потребление электроэнергии можно снизить, так как сейчас во многих бытовых приборах, которые питаются от сети переменного тока, напряжение понижают и выпрямляют для импульсного трансформатора. Поэтому за счет использования низкого напряжения постоянного тока, 24, 42, 126, 220 можно уменьшить расход материалов и потери на преобразование за счет исключения необходимости использования некоторых деталей. Примером является телевизор, компьютер, освещение светодиодами (это самый экономный, безопасный и надежный вид освещения), телефоны и др. Почти все бытовые приборы могут работать в сети постоянного тока:

— холодильник — термоэлектрические холодильники (при пропускании постоянного тока через термоэлемент, состоящий из двух проводников или полупроводников, в месте их соединения выделяется или поглощается некоторое количество теплоты, пропорциональна силе тока), они имеют высокую надежность за счет отсутствия движущихся частей;

— обогреватели — резистивные, инфракрасные (обогрев инфракрасными лучами);

— отопление — использовать гелиосистемы или тепловые насосы во время монтажа систем отопления (что уменьшит потребление электроэнергии по сравнению с другими видами энергии);

— вентиляция — уже сейчас некоторые производители устанавливают преобразователи для двигателей вентилятора;

— стиральные машины — некоторые производители применяют только коллекторные двигатели, которые могут работать при постоянном токе и имеют большой пусковой момент, не требует предварительного слива воды.

Для уменьшения затрат установки системы при наличии более одного дома вблизи друг от друга, целесообразнее будет использовать одну общую систему генерации.

Выводы

Приведены преимущества только трех систем генерации с возобновляемыми источниками энергии, которые экономически эффективно использовать в сети постоянного тока, а подобных систем генерации много. Эти системы потребляют меньшее количество энергии, некоторые из них только за счет уменьшения величины потерь. Таким образом, если строить энергосистему с сетью постоянного тока в масштабе страны, то, кроме вышеперечисленной экономии, будет еще и уменьшения потерь при передаче электроэнергии, повысит целесообразность внедрения таких сетей.

Постоянный ток, поступающий от солнечных батарей и аккумуляторов, должен быть приведен к напряжению нужной, а затем преобразован в переменный. Преобразование в переменный ток выполняется, так называемыми, инверторами. В отличие от бытовых инверторов, дающих лишь приближение к синусоидальному напряжению, профессиональные модели, обслуживающие целое здание или даже комплекс строений, должны давать «чистую» синусоиду, иначе возникнут проблемы с электромагнитной совместимостью оборудования и много других проблем. Соответственно, профессиональные инверторы — дорогостоящие агрегаты, исключение которых из схемы энергоснабжения при использовании постоянного тока позволит снизить общую стоимость системы, а заодно и повысить энергоэффективность за счет удаления как минимум одной ступени преобразования. Например, профессиональный инвертор, способный длительное время выдерживать нагрузку до 12 кВт стоит порядка 100 000 руб. (здесь и далее цены приводятся по состоянию на сентябрь 2015 г.) На самом деле, при переходе на постоянный ток удаляется и другая ступень преобразования, а, именно, выпрямитель в светодиодном светильнике. В том случае, если светодиодный светильник работает в помещении, где постоянно находятся люди, тем более, где они выполняют работу, требующую сколь-нибудь значительного зрительного напряжения, надо не только выпрямить переменный ток, но и сгладить пульсации. Для этого используются электролитические конденсаторы большой емкости — дорогостоящие и при этом весьма капризные устройства. Как правило, основной причиной выхода из строя светильников является преждевременный отказ драйвера, который происходит, когда светодиоды еще не полностью выработали свой ресурс. Зачастую этот отказ связан со сглаживающими конденсаторами. Причем электролитические конденсаторы имеют неприятную особенность деградировать от времени, даже если светильник не работает, а лежит на складе.

Читайте также:  Параллельные проводники с током притягиваются если токи в проводниках текут

Разница между дешевыми и дорогими светильниками заключается главным образом в уровне пульсации и надежности драйвера. При питании от постоянного тока конструкция драйвера становится более простой и надежной, в ней не присутствуют сглаживающие конденсаторы. Поэтому светильник за 1200 руб. будет работать практически так же хорошо, как и за 2200 руб. (столько стоит светильник с надежным драйвером без пульсации от известного российского бренда) Мало того, за счет уменьшения числа деталей вполне реально дополнительно снизить цену на качественный светильник.

В итоге, переход на постоянный ток позволит снизить цены на светодиодные светильники примерно в 2 раза и добиться срока службы всего светильника, равного сроку службы установленных в нем светодиодов, то есть 50 000 ч.

Источник



Где и почему используется постоянный ток

Нет сегодня ни одной области техники, где в том или ином виде не использовалось бы электричество. Между тем, с требованиями к электрическим аппаратам связан род тока, питающего их. И хотя переменный ток распространен нынче по всему миру очень широко, есть тем не менее области, где просто не обойтись без постоянного тока.

Первыми источниками годного к использованию постоянного тока были гальванические элементы, которые принципиально давали химическим путем именно постоянный ток, представляющий собой поток электронов, движущихся в одном неизменном направлении. От этого и название у него «постоянный ток».

Сегодня постоянный ток получают не только от батареек и аккумуляторов, но и путем выпрямления переменного тока. Как раз о том, где и почему используется в наш век постоянный ток, и пойдет речь в данной статье.

Где и почему используется постоянный ток

Начнем с тяговых двигателей электротранспорта. Метро, троллейбусы, теплоходы и электрички традиционно приводятся в движение двигателями, питаемыми постоянным током. Двигатели постоянного тока изначально отличались от двигателей тока переменного тем, что в них можно было плавно изменять скорость при сохранении высокого крутящего момента.

Переменное напряжение выпрямляется на тяговой подстанции, после чего подается на контактную сеть, — так получают постоянный ток для общественного электротранспорта. На теплоходах электричество для питания двигателей может быть получено от дизельных генераторов постоянного тока.

В электромобилях так же применяются моторы постоянного тока, которые питаются от аккумулятора, и здесь снова получаем преимущество в виде быстро развиваемого крутящего момента привода, и имеем еще один важный плюс — возможность рекуперативного торможения. В момент торможения мотор превращается в генератор постоянного тока и заряжает аккумулятор.

Эскаватор

Мощные подъемные краны на металлургических заводах, где необходимо плавно орудовать огромного размера и чудовищной массы ковшами с расплавленным металлом — используют моторы постоянного тока опять же в силу их отличной регулируемости. Это же преимущество относится к применению моторов постоянного тока в шагающих экскаваторах.

Квадроткоптер

Бесколлекторные двигатели постоянного тока способны развивать огромные скорости вращения, измеряемые десятками и сотнями тысяч оборотов в минуту. Так, высокоскоростные электродвигатели постоянного тока небольших размеров устанавливают на жесткие диски, квадрокоптеры, пылесосы и т. д. Незаменимы они и в качестве шаговых приводов управления различными шасси.

Электролизная установка

Само по себе прохождение электронов и ионов в одном направлении при постоянном токе делает постоянный ток принципиально незаменимым при осуществлении электролиза.

Реакция разложения в электролите, под действием в нем постоянного тока, позволяет осадить на электродах определенные элементы. Так получают алюминий, магний, медь, марганец и другие металлы, а также газы: водород, фтор и т.д, и многие прочие вещества. Благодаря электролизу, то есть по сути — постоянному току, существуют целые отрасли металлургии и химической промышленности.

Гальваническое покрытие

Гальванотехника немыслима без постоянного тока. Металлы осаждают на поверхность изделий различной формы, таким образом осуществляют в частности хромирование и никелирование, создают печатные формы и металлические монументы. Что и говорить о применении гальванизации в медицине для лечения болезней.

Сварка на постоянном токе

Сварка на постоянном токе гораздо эффективнее, чем на токе переменном, шов получается на много более качественным, чем при сварке того же изделия тем же электродом, но током переменным. Все современные сварочные инверторы выдают на электрод постоянное напряжение.

Мощная дуговая лампа

Мощные дуговые лампы, устанавливаемые в кинопроекторах многочисленных профессиональных киностудий дают ровный свет без гудящей дуги как раз благодаря питанию дуги постоянным током. Светодиоды, так те принципиально питаются током постоянным, именно поэтому большинство сегодняшних прожекторов питаются постоянным током, хотя и получаемым путем преобразования переменного сетевого тока или же от аккумуляторов (что иногда очень даже удобно).

Аккумулятор автомобиля

Двигатель внутреннего сгорания автомобиля хоть и питается бензином, однако стартует он от аккумулятора. И здесь постоянный ток. Стартер получает питание от батареи с напряжением в 12 вольт, и в момент старта забирает от нее ток в десятки ампер.

После старта аккумулятор в автомобиле заряжается генератором, который вырабатывает переменный трехфазный ток, тут же выпрямляемый и подаваемый на клеммы аккумулятора. Переменным током аккумулятор не зарядишь.

Бесперебойный источник питания

А резервные источники питания? Если даже огромная электростанция встала из-за аварии, то и здесь дать старт турбогенераторам помогут вспомогательные аккумуляторы. И самые простые домашние источники бесперебойного питания компьютеров — тоже не обойдутся без аккумуляторов, дающих постоянный ток, из которого путем преобразования в инверторе получается ток переменный. А сигнальные лампы и аварийное освещение — почти везде питается от аккумуляторов, то есть и здесь пригодился постоянный ток.

Подводная лодка

Подводная лодка — и та использует на борту постоянный ток для питания электродвигателя, вращающего гребной винт. Вращение турбогенератора на самых современных атомоходах хотя и достигается путем ядерных реакций, однако электроэнергия подается на двигатель в виде все того же постоянного тока. Это же касается и дизель-электрических субмарин.

Мобильный телефон

И конечно, не только электровозы шахт, погрузчики или электрокары используют постоянный ток от аккумуляторов. Все электронные гаджеты, которые мы носим с собой, содержат литиевые аккумуляторы, которые выдают постоянное напряжение и заряжаются постоянным током от зарядных устройств. А если вспомнить радиосвязь, телевидение, радио- и теле- вещание, интернет и т. д. На самом деле выходит, что добрая часть всех устройств питается прямо или косвенно постоянным током от аккумуляторов.

Источник

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.

Чем отличаются и где используются постоянный и переменный ток

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).
Читайте также:  Милливольтметр постоянного тока цифровой

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).

Чем отличаются и где используются постоянный и переменный ток

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.

Чем отличаются и где используются постоянный и переменный ток

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.

Чем отличаются и где используются постоянный и переменный ток

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.

Чем отличаются и где используются постоянный и переменный ток

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.

Читайте также:  Источник тока вихревого электрического поля

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.

Чем отличаются и где используются постоянный и переменный ток

Как устроен генератор переменного тока — назначение и принцип действия

Что такое активная и реактивная мощность переменного электрического тока?

Чем отличаются и где используются постоянный и переменный ток

Что такое частотный преобразователь, основные виды и какой принцип работы

Чем отличаются и где используются постоянный и переменный ток

Что такое конденсатор, виды конденсаторов и их применение

Чем отличаются и где используются постоянный и переменный ток

Как условно обозначаются элементы на электрических схемах?

Чем отличаются и где используются постоянный и переменный ток

Что такое варистор, основные технические параметры, для чего используется

Источник

Применение постоянного тока в электроснабжении социально-бытового сектора экономики с целью снижения потерь электроэнергии

Г.Н. Яковлев, генеральный директор, ООО «ИТЦ ГОРЭНЕРГОСЕРВИС», г. Москва

В последние 10-15 лет в связи с ростом количества нелинейных потребителей (преобразователи частоты, выпрямители управляемые и неуправляемые, ЭВМ, полупроводниковые АБП и различные регуляторы и пр.) переменного тока напряжением до 1000 В и особенно однофазной нагрузки резко возросли потери электроэнергии при ее транспорте от источника генерации до потребителя. Существенный рост потерь происходит из-за сильного искажения формы тока, ассиметричного протекания рабочих токов в кабельных и воздушных линиях, в трансформаторах, во внутридомовых электрических сетях. Передача избыточной реактивной мощности также существенно снижает пропускную способность электрических линий и силовых трансформаторов.

Больше техники — больше потерь

Искажение формы тока связано, прежде всего, с массовым внедрением бытовой, вычислительной техники, энергосберегающих светильников и другой преобразовательной техники в быту, в учреждениях здравоохранения, образования, культуры, малом бизнесе и т.п. В подавляющем большинстве вся эта техника однофазная, и при всем желании распределить токи потребления равномерно по трем фазам практически невозможно. Кроме этого, нечетные гармоники трехфазной системы, создают токи нулевой последовательности, величина которых сегодня достигает достаточно внушительных величин, нередко превышая величины фазных токов. Как следствие, возросла опасность возгорания электропроводки, особенно старой и изношенной.

Сегодня необходимо принимать превентивные меры по предупреждению возгораний электропроводок зданий сооружений и снижению потерь электроэнергии.

Вся нормативная техническая документация по устройству электрических сетей, проектированию электроустановок, выбору оборудования и аппаратуры для защиты линий, учета электроэнергии, по расчетам потерь электроэнергии базируются на трехфазном, симметричном и линейном токе. Фактически сегодня токи в сети несинусоидальные и несимметричные.

Таким образом, на сегодняшний день имеется расхождение реальной ситуации в электрических сетях и электроустановках потребителей с одной стороны, и нормативно-технической документацией в электроэнергетике с другой стороны. Рост тарифов — один из сигналов о неблагополучии в электроэнергетике. Установкой только электросчетчиков у потребителей эту проблему разрешить не получится.

Потери электроэнергии сегодня подсчитываются экономическим путем и не соотносятся с техническими причинами, порождающими эти потери. Повышение эффективности расходования энергоресурсов в основном связано с дальнейшим использованием энергосберегающей техники. В основе данного подхода вновь лежит экономический подход, когда счетчик электроэнергии показывает меньшую величину. Причина увеличения потерь в линиях, во внутридомовых сетях и трансформаторах остается неизменной, и, следовательно, использование энергоэффективной техники не решает проблему сокращения потерь, а наоборот приводит к их росту и искажению показаний приборов учета электроэнергии и измерительных трансформаторов.

На сегодняшний день нет исследований по потерям в силовых трансформаторах, связанных с асимметричным режимом их работы и протекании в них несинусоидальных токов. Также неизвестно, как растут потери электроэнергии при протекании в линиях электропередачи искаженного и ассимметричного тока нагрузки. Очевидным остается тот факт, что потери при таких режимах растут, количество генерируемой энергии лишь частично доходит до потребителя.

Дальнейшее применение трехфазного тока для электроснабжения социально-бытового сектора экономики страны, при быстром росте однофазной нелинейной нагрузки приведет к лавинообразному росту потерь электроэнергии при ее транспортировке и потреблении. Нужно искать альтернативные схемы обеспечения электроэнергией этого сектора экономики, такие как однофазные и многофазные источники электроэнергии, постоянный ток, высокочастотный ток и т.д.

Выход есть — электроснабжение на постоянном токе

Трехфазный ток по происхождению предназначен для промышленности и тяжелой индустрии, для передачи электроэнергии на дальние расстояния. Он, собственно, для этого и был изобретен. Применение постоянного тока для электроснабжения электроустановок зданий предлагается как один из альтернативных вариантов для электроснабжения сектора экономики с однофазной нагрузкой с целью существенного снижения потерь электроэнергии (по предварительным оценкам до 20%).

В основе данного предложения лежат следующие аксиомы:

1. Схема электроснабжения на постоянном токе симметрирует однофазную нагрузку в трехфазной сети и силовых трансформаторах в результате применения в ней двенадцатипульсного выпрямителя. Наработка на отказ современной силовой электроники достаточно высокая, имеется опыт эксплуатации данного оборудования в электрофицированном транспорте и специальных объектах.

2. Постоянный ток по самой своей природе не имеет гармонических токов и реактивной составляющей электроэнергии. Это также снижает потери электроэнергии при ее передаче по линиям электропередачи, в трансформаторах, в сетях потребителя в целом до 20% .

3. Большинство техники, использующейся в быту и офисах, может работать на постоянном токе, так как в основе их работы лежит принцип выпрямления переменного тока и преобразование его в частотных преобразователях по структурам техники для применения или выполнения разных функций, например для регулирования скорости вращения двигателей, изменения звука, цвета и т.п. Кроме того, промышленностью выпускается оборудование, непосредственно работающее от постоянного тока.

4. Учет электроэнергии постоянного тока не имеет привнесенных погрешностей в отличие от переменного тока с искаженной формой.

5. Постоянный ток практически не создает в окружающей среде переменное электромагнитное поле, влияющие на физиологию человека, т.е. в электроустановках с постоянным током электромагнитная обстановка чистая и безопасная.

6. В качестве источника постоянного тока для электроснабжения жилых домов, кроме основного источника, можно использовать аккумуляторы и альтернативные источники электроэнергии. При этом нетрадиционные источники электроэнергии можно использовать напрямую без преобразования и синхронизации, что существенно упрощает и удешевляет их применение.

В настоящее время постоянный ток можно применять во внутренних и уличных сетях освещения. Для организации работ на постоянном токе имеется комплекс стандартов серии ГОСТ Р 50571-2000 «Электроустановки зданий. Требования по обеспечению безопасности».

Пилотный проект

В настоящее время разработан пилотный проект по сравнению схем электроснабжения на переменном и постоянном токах на двух однотипных домах, оснащенных одинаковой офисно-бытовой техникой установленной мощностью до 30 кВт, и двух улиц длиной по 600 м, также освещаемых переменным и постоянным токами.

Цели и задачи этого проекта следующие:

1. Показать на примере применения постоянного тока в схеме электроснабжения электроустановки жилого дома и уличного освещения возможность существенного снижения потерь электроэнергии по сравнению с существующей схемой электроснабжения электроустановок зданий и уличного освещения на переменном токе.

2. Определить технические возможности применения постоянного тока в схеме электроснабжения электроустановок зданий относительно различных групп потребителей.

3. Определить экономический эффект от применения постоянного тока.

По итогам выполненных работ предполагается подготовить:

1. Проекты нормативных документов по проектированию, монтажу, испытаниям и эксплуатации электроустановок зданий и сооружений на постоянном токе.

2. Перечень оборудования и материалов (аппаратуры, проводников, измерительной техники и прочей необходимой основной и вспомогательной арматуры) для выполнения электроустановок на постоянном токе, имеющихся в наличии и требующих разработки.

3. Предложения по организации производства вышеуказанного перечня на территории России.

4. Материалы для проведения научно-практической конференции по применению постоянного тока в электроснабжении электроустановок зданий.

Источник