Jak oznacza się prąd przemienny: określanie różnicy między wartością AC a wartością stałą

Prostym sposobem wizualizacji różnicy między prądami AC i DC jest wykreślenie ich kierunku w czasie. Pierwsza będzie wyglądać jak linia prosta, a druga będzie wyglądać jak linia falista. Jeden cykl tej krzywej stanowi graficzną podstawę wskazania prądu przemiennego w obwodach i piktogramy (~), a akronim AC (prąd przemienny) stał się dobrze znanym terminem w teksty.

Oznaczenia DC i AC

Wszystkie przewodniki mają wolne elektrony, które mogą poruszać się w obecności różnicy potencjałów. Ten przepływ naładowanych cząstek w zamkniętej pętli nazywany jest prądem elektrycznym. Jeśli ładunek elektryczny porusza się tylko w jednym kierunku, zjawisko to nazywa się stałym prądem elektrycznym, jego oznaczenie „-» lub DC (prąd stały).

Definicję prądu przemiennego można wyprowadzić z odwrotnej sytuacji: będzie to ruch ładunków, który okresowo zmienia swój kierunek. Wibracje głośników mogą przybierać różne formy, na przykład:

• piłokształtny;
• kwadrat;
• trójkątny;
• sinusoidalny.

Sinusoidalny prąd przemienny to ten rodzaj energii, który jest transportowany przez nowoczesne sieci energetyczne. Jego ogromną zaletą dla systemów elektroenergetycznych jest to, że umożliwia łatwą zmianę przesyłanego napięcia za pomocą transformatorów, a przebieg ten jest łatwy do wygenerowania. Te cechy pozwalają zaoszczędzić ogromną ilość pieniędzy i zasobów materiałowych przy produkcji i przesyłaniu energii elektrycznej na duże odległości.

Poniższy przykład może zilustrować korzyści płynące ze stosowania prądu przemiennego przez firmy energetyczne. Załóżmy, że istnieje elektrownia jako moc wytwórcza, która jest w stanie wyprodukować 1 milion watów energii.

Dla jasności wygodnie będzie rozważyć 2 sposoby jego transportu:

1. Przesyłaj przez sieci 1 milion amperów o napięciu 1 wolta.
2. Przesył prądu o sile 1 ampera i napięciu 1 miliona woltów.

Główna różnica jest następująca: w drugim przypadku do przesyłania energii potrzebny jest przewodnik o małej grubości, podczas gdy w pierwszym przypadku nie można zrezygnować z kabla o ogromnym przekroju. Dlatego firmy energetyczne przetwarzają wytworzoną energię na prąd przemienny o bardzo wysokim napięciu do transportu, a następnie wycofują się w bliskim sąsiedztwie odbiorców.

Kolejną zaletą AC dla mediów jest wyższa niezawodność i prostota alternatorów w porównaniu z prądnicami. Ponadto AC ma następujące zalety:

• umożliwia eksploatację stosunkowo wydajniejszych, prostych i niezawodnych maszyn elektrycznych;
• nie niszczy urządzeń przełączających.

Cała elektronika i technologia cyfrowa zużywa prąd stały. Z reguły prąd stały generowany jest za pomocą ogniw elektrochemicznych i galwanicznych. Są to stosunkowo drogie sposoby wytwarzania energii elektrycznej, dlatego istnieje wiele projektów urządzeń, zamiana prądu przemiennego na prąd stały, polegająca na zapobieganiu przepływowi prądu w przeciwnym kierunku i prostowaniu sinusoidy za pomocą filtrów.

W połączeniu z transformatorami prostowniki pozwalają na uzyskanie wymaganych parametrów i wysokiej jakości z sieci prądu stałego.

Pomysły Edisona

Współczesnego życia nie można sobie wyobrazić bez elektryczności. Aby mógł służyć do celów cywilnych i przemysłowych, musi być nie tylko produkowany, ale także dostarczany konsumentowi. Pierwszy, który zdecydował się produkować energię elektryczną w dużych ilościach i transportować ją do fabryk, biur i gospodarstw domowych, był amerykański przedsiębiorca Thomas Edison – jeden z najbardziej wpływowych wynalazców świat.

W celu realizacji swojego pomysłu zaprojektował i przetestował wytwornice pary prądu stałego, liczniki energii elektrycznej oraz elementy sieci dystrybucyjnych. Pierwsza elektryfikacja oświetlenia nie była wówczas łatwa. Właściciele gazowni postrzegali Edisona jako niebezpiecznego konkurenta, który może narazić ich firmy na niebezpieczeństwo. Ale nic nie mogło powstrzymać wynalazcy. Ani kolosalne koszty układania kabli w chodnikach, ani wypadki podczas testów nie przeszkodziły mu we wrześniu 1882 roku. uruchamia pierwszą sieć oświetleniową złożoną z pięciu tysięcy lamp.

W ciągu 5 lat działało ponad 50 elektrowni Edisona. Mimo wielkiego sukcesu wynalazca nie był w stanie rozszerzyć geografii swoich sieci elektrycznych na cały świat. Mieszkańcy terenów, na których znajdowały się elektrownie, skarżyli się na dym i sadzę oraz wymusili zamknięcie obiektów Edisona. W ten sposób pierwsza generacja elektrowni węglowych ostatecznie przestała działać, ustępując miejsca tysiącom nowych, generujących prąd przemienny.

Zwycięstwo Tesli

Większość dystrybuowanej wcześnie energii elektrycznej pochodziła z prądu stałego i nie było żadnych standardów dla konsumentów. Na przykład lampy łukowe wymagały kilku tysięcy woltów, podczas gdy żarówki Edisona wymagały 110 woltów. Tramwaje Siemensa eksploatowane od 500 V, a silniki przemysłowe w fabrykach mogą się wielokrotnie różnić w naprężenie.

Firmy elektryczne zostały zmuszone do tworzenia i utrzymywania kilku linii prądotwórczych jednocześnie dla różnych klas obciążeń. Można powiedzieć, że istniały dwie główne przeszkody w powszechnym korzystaniu z sieci DC:

• bliskość generatorów do ładunków;
• trudności w dostarczaniu różnych napięć.

Chorwacki naukowiec Tesla, który pracował z Edisonem, uważał, że zastosowanie prądu przemiennego w sieciach elektrycznych może rozwiązać te problemy. Ich spór dotyczący perspektyw napięcia przemiennego zakończył się tym, że badacz prądu przemiennego kontynuował pracę z konkurentem Edisona, Georgem Westinghousem. Tesla nie odkrył prądu przemiennego, ale był wynalazcą generatora synchronicznego i silnika asynchronicznego, a także autorem patentów dotyczących działania urządzeń wielofazowych.

Zalety AC dla wytwarzania i transportu były oczywiste, ale Edison, zamiast się do tego przyznać, nadal stanowczo promował DC i próbował zdyskredytować swoich konkurentów. Zaczął popularyzować ideę, że AC jest zabójczy dla zwierząt i ludzi. Na przykład Edison został nawet wynalazcą krzesła elektrycznego AC w ​​celu zdobycia gruntu dla kampanii propagandowej na temat niebezpieczeństw związanych z AC.

Chociaż kampania antyreklamowa zakończyła się sukcesem i przyniosła wymierne rezultaty, radość ze zwycięstwa Edisona była krótkotrwała. W 1892 r niemiecki fizyk Pollack wynalazł prostownik mechaniczny, za pomocą którego stało się możliwe ładowanie akumulatorów elektrycznych, a istnienie transportu prądu stałego straciło swoje ostatnie uzasadnienie. Już w 1893 roku z sieci AC zapalono Światowe Targi w Chicago, co było początkiem triumfu prądu zmiennego w XX wieku, a rywalizacja między wynalazcami przeszła do historii jako „wojna prądów”.

Renesansowa wojna elektryczna

Wzrost wykorzystania odnawialnych źródeł energii w XXI wieku doprowadził do powstania zdecentralizowanych sieci elektroenergetycznych o małej skali, które zużywają energię elektryczną niemal w miejscu produkcji. W przypadku takich systemów zasilania zalety prądu przemiennego nie mają znaczenia, dlatego uzasadnione jest stosowanie w nich prądu stałego.

Nowoczesna, wysokowydajna elektronika poczyniła postępy w konwersji energii i może przekształcać prąd stały w zakresie napięć do 800 kV. woltów z większą wydajnością niż samochody elektryczne prądu przemiennego. Innowacje te stały się podstawą do budowy linii wysokiego napięcia prądu stałego (HVDC) do przesyłania nadwyżki energii słonecznej lub wiatrowej z jednego regionu do drugiego. Budowa HVDC kosztuje około dwa razy więcej niż tradycyjne, ale ze względu na niskie straty i przyjazność dla środowiska całego systemu taka inwestycja jest uzasadniona.

Coraz więcej urządzeń elektrycznych wymaga prądu stałego. Komputery, oświetlenie LED i inne urządzenia elektroniczne muszą przetwarzać i prostować prąd sieciowy. Oczekuje się, że w nadchodzących latach liczba pojazdów elektrycznych wzrośnie. Nowoczesne systemy dystrybucji prądu stałego są w stanie z czasem wyeliminować przekształtniki w domu napięcia i łatwość integracji ogniw fotowoltaicznych w sieciach domowych i przemysłowych oraz akumulatory do przechowywania.

Transmisja wysokiego napięcia DC jest obecnie sprawdzoną i sprawdzoną technologią w krajach takich jak Niemcy i Chiny. Jednak dla praktycznego szerokiego wdrożenia wciąż pozostaje wiele nierozwiązanych problemów. Jak będą współistnieć obie technologie? Jakie będą skuteczne środki bezpieczeństwa? Jakie kroki techniczne i prawne będą potrzebne do przejścia na DC? Korzyści i zakres takich zmian są tak znaczące, że najwyraźniej mówimy o zmianie paradygmatu.