Jednoduchý spôsob, ako vizualizovať rozdiel medzi striedavým a jednosmerným prúdom, je vykresliť ich smer v závislosti od času. Prvý bude vyzerať ako rovná čiara a druhý bude vyzerať ako vlnovka. Jeden cyklus tejto krivky je grafickým základom toho, ako je striedavý prúd indikovaný na obvodoch a piktogramy (~) a skratka AC (Alternating Current) sa stala v r. texty.
Obsah
- DC a AC označenia
- Edisonove nápady
- Víťazstvo Tesly
- Renesančná elektrická vojna
DC a AC označenia
Všetky vodiče majú voľné elektróny, ktoré sa môžu pohybovať v prítomnosti rozdielu potenciálov. Tento tok nabitých častíc v uzavretej slučke sa nazýva elektrický prúd. Ak sa elektrický náboj pohybuje iba jedným smerom, potom sa tento jav nazýva konštantný elektrický prúd, jeho označenie "-» alebo DC (jednosmerný prúd).
Definíciu striedavého prúdu možno odvodiť z opaku: pôjde o pohyb nábojov, ktoré periodicky menia svoj smer. Vibrácie reproduktorov môžu mať rôzne formy, napríklad:
- pílový zub;
- námestie;
- trojuholníkový;
- sínusový.
Sínusový striedavý prúd je tento typ energie
Nasledujúci príklad môže ilustrovať výhody používania striedavého prúdu v energetických spoločnostiach. Predpokladajme, že existuje elektráreň ako výrobná kapacita, ktorá je schopná vyrobiť 1 milión wattov energie.
Pre prehľadnosť bude vhodné zvážiť 2 spôsoby prepravy:
- Preneste 1 milión ampérov s napätím 1 volt cez siete.
- Prenos prúdu so silou 1 ampér a napätím 1 milión voltov.
Hlavný rozdiel je nasledovný: v druhom prípade je na prenos energie potrebný vodič s malou hrúbkou, zatiaľ čo v prvom prípade nie je možné upustiť od kábla s obrovským prierezom. Energetické spoločnosti preto premieňajú vyrobenú energiu na striedavé napätie s veľmi vysokým napätím na prepravu a potom odchádzajú v tesnej blízkosti spotrebiteľov.
Ďalšou výhodou AC pre verejné služby je vynikajúca spoľahlivosť a jednoduchosť alternátorov oproti dynamám. Okrem toho má AC nasledujúce výhody:
- umožňuje prevádzku relatívne efektívnejších, jednoduchších a spoľahlivejších elektrických strojov;
- nezničí spínacie zariadenia.
Všetka elektronika a digitálna technika spotrebúvajú jednosmerný prúd. Jednosmerný prúd sa spravidla generuje pomocou elektrochemických a galvanických článkov. Ide o pomerne drahé spôsoby výroby elektriny, preto existuje veľa návrhov zariadení, konverzia striedavého prúdu na jednosmerný, založená na zamedzení toku prúdu v opačnom smere a usmernení sínusoidy pomocou filtrov.
V kombinácii s transformátormi umožňujú usmerňovače získať požadované parametre a vysokú kvalitu z jednosmernej siete.
Edisonove nápady
Moderný život si nemožno predstaviť bez elektriny. Aby mohol slúžiť na civilné a priemyselné účely, musí byť nielen vyrobený, ale aj dodaný spotrebiteľovi. Prvý, kto sa rozhodol vyrábať elektrinu vo veľkom a dopravovať ju do tovární, kancelárií a domácností, bol americký podnikateľ Thomas Edison – jeden z najvplyvnejších vynálezcov svet.
Na realizáciu svojej myšlienky navrhol a otestoval jednosmerné parogenerátory, elektromery a prvky rozvodných sietí. Prvá elektrifikácia osvetlenia vtedy nebola jednoduchá. Majitelia plynárenských spoločností považovali Edisona za nebezpečného konkurenta, ktorý by mohol ohroziť ich podnikanie. Nič však nemohlo vynálezcu zastaviť. Nezabránili mu v septembri 1882 ani obrovské náklady na kladenie káblov na chodníky, ani nehody počas testovania. spustiť prvú sieť osvetlenia s piatimi tisíckami lámp.
Za 5 rokov bolo v prevádzke viac ako 50 Edisonových elektrární. Napriek veľkému úspechu sa vynálezcovi nepodarilo rozšíriť geografiu svojich elektrických sietí do celého sveta. Obyvatelia oblastí, v ktorých sa nachádzali elektrárne, sa sťažovali na dym a sadze a vynútili si zatvorenie Edisonových zariadení. Prvá generácia uhoľných elektrární teda nakoniec ukončila prevádzku a ustúpila tisíckam nových, generujúcich striedavý prúd.
Víťazstvo Tesly
Väčšina skorej distribuovanej elektriny bola jednosmerný prúd a neexistovali žiadne normy pre spotrebiteľov. Napríklad oblúkové lampy potrebovali niekoľko tisíc voltov, zatiaľ čo žiarovky Edison potrebovali 110 voltov. Električky Siemens fungovali od 500 V a priemyselné motory v továrňach sa mohli mnohokrát líšiť stres.
Elektrické spoločnosti boli nútené vytvoriť a udržiavať niekoľko výrobných liniek súčasne pre rôzne triedy záťaže. Môžeme povedať, že existovali dve hlavné prekážky pre rozšírené používanie DC sietí:
- blízkosť generátorov k záťaži;
- ťažkosti pri poskytovaní rôznych napätí.
Chorvátsky vedec Tesla, ktorý spolupracoval s Edisonom, veril, že tieto problémy môže vyriešiť použitie striedavého prúdu v elektrických sieťach. Ich nezhoda o vyhliadkach na striedavé napätie sa skončila tým, že výskumník AC pokračoval v práci s Edisonovým konkurentom Georgeom Westinghouseom. Tesla neobjavil striedavý prúd, ale bol vynálezcom synchrónneho generátora a asynchrónneho motora, ako aj autorom patentov týkajúcich sa činnosti viacfázových zariadení.
Výhody AC pre výrobu a dopravu boli zrejmé, ale Edison, namiesto toho, aby to priznal, zostal pevný v propagácii DC a pokúsil sa zdiskreditovať svojich konkurentov. Začal popularizovať myšlienku, že AC je smrteľné pre zvieratá a ľudí. Napríklad Edison sa dokonca stal vynálezcom elektrického kresla AC s cieľom získať pôdu pre propagandistickú kampaň o nebezpečenstvách AC.
Hoci antireklamná kampaň bola úspešná a priniesla hmatateľné výsledky, Edisonova radosť z víťazstva mala krátke trvanie. V roku 1892 Nemecký fyzik Pollack vynašiel mechanický usmerňovač, pomocou ktorého bolo možné nabíjať elektrické batérie a existencia jednosmerného prúdu stratila svoje posledné opodstatnenie. Už v roku 1893 bola z AC siete osvetlená svetová výstava v Chicagu, čo bol začiatok triumfu striedavého prúdu v 20. storočí a súťažné dianie medzi vynálezcami sa zapísalo do dejín ako „vojna prúdov“.
Renesančná elektrická vojna
Nárast využívania obnoviteľných zdrojov energie v 21. storočí viedol k vzniku malých decentralizovaných energetických sietí so spotrebou elektriny takmer v mieste výroby. Pre takéto energetické systémy nezáleží na výhodách striedavého prúdu, preto je použitie jednosmerného prúdu v nich opodstatnené.
Moderná vysokovýkonná elektronika pokročila v premene energie a dokáže transformovať jednosmerný prúd v rozsahu napätia až do 800 kV. voltov s vyššou účinnosťou ako elektrické autá na striedavý prúd. Tieto inovácie sa stali základom pre výstavbu vysokonapäťových vedení jednosmerného prúdu (HVDC) na prenos prebytočnej slnečnej alebo veternej energie z jedného regiónu do druhého. Výstavba HVDC stojí asi dvakrát toľko ako tradičné, no vzhľadom na nízke straty a ekologickosť celého systému je takáto investícia opodstatnená.
Stále viac elektrických spotrebičov vyžaduje jednosmerný prúd. Počítače, LED osvetlenie a iné elektronické zariadenia potrebujú premieňať a usmerňovať elektrickú energiu zo siete. Očakáva sa, že počet elektrických vozidiel sa v nasledujúcich rokoch zvýši. Moderné DC distribučné systémy sú schopné časom eliminovať meniče v domácnosti napätia a je ľahké integrovať fotovoltické články do domácich a priemyselných sietí a akumulačné batérie.
Vysokonapäťový jednosmerný prenos je v súčasnosti overenou a overenou technológiou v krajinách ako Nemecko a Čína. Ale pre praktickú rozšírenú implementáciu je stále veľa nevyriešených problémov. Ako budú obe technológie koexistovať? Aké budú účinné bezpečnostné opatrenia? Aké technické a právne kroky budú potrebné na prechod na DC? Výhody a rozsah takýchto zmien sú také významné, že zjavne hovoríme o zmene paradigmy.
