Какими преимуществами обладает переменный ток по сравнению с постоянным кратко

Обновлено: 18.05.2024

Более ста лет назад человечество стояло перед выбором какой ток/напряжение использовать - постоянное или переменное.

На тот момент заслуженную победу одержал переменный ток, но далеко не факт, что это окончательная победа.

Более того, несмотря на кажущееся 100% доминирование переменного тока в настоящем, постоянный ток "партизанскими" методами отвоевал значительную долю рынка его использования. В этой статье будут рассмотрены основные преимущества каждого из решений.

Преимущества и недостатки переменного тока

Преимущество только одно - легкость преобразования из низкого в высокое и обратно, посредством трансформаторов, которые имеют и имели очень высокий КПД (до 99%).

Это позволяло передавать переменный ток на большие расстояния, так как потери в линиях передач пропорциональны квадрату тока, а чем выше напряжение, тем меньше ток ( при той же мощности ) и, следовательно, тем меньше потери.

На этом преимущество заканчивается и начинаются проблемы:

Каждая линия передач имеет предельное напряжение.
И при этом предельном напряжении, передаваемая мощность переменного тока будет в 2 раза меньше у переменного тока, чем у постоянного!
При наличии нескольких генераторов в сети, требуется их согласование по напряжению, частоте и фазе.
Требуется согласование между индуктивностью и емкостью линии. Иначе будут возникать дополнительные потери (и нагрев!)
Пропускная способность линий ограничена меньшей мощностью (натуральная мощность), которая значительно меньше, чем тепловой предел проводов.
Переменное напряжение создаёт помехи.

А вот наличие потерь от излучения, в длинных линиях (в четверть и половину длины волны - 1500 или 3000 км при 50Гц) является заблуждением.

Преимущества и недостатки постоянного тока

Собственно все преимущества постоянного тока, это зеркальное отражение недостатков переменного:

На предельном напряжении передаваемая мощность постоянного тока в 2 раза выше, чем переменного.
При наличии нескольких генераторов в сети, не требуется их согласование по частоте и фазе (отсутствуют такие понятия у постоянного тока), только по напряжению.
Не важна индуктивность и емкость линии.
Пропускная способность линий ограничена только тепловым пределом проводов.
Не создаются помехи.

Недостатком постоянного тока/напряжения является только то, что его не умели 100 лет назад преобразовывать в более выокое или более низкое. И, как следствие, производители его сразу и передавали на рабочем напряжении (около 200 В), которое не позволяло подключить потребителей, удаленных боле чем на пару километров от генератора.

Переменный ток победил?

Сейчас кажется что да. Но это не так!! Приглядитесь к своей квартире. Все электрические приборы, кроме тех, в составе которых есть электрические
двигатели, могут спокойно работать на постоянном напряжении!

Одной группе бытовых устройств вообще без разницы какой ток они получают. К этому типу устройств относятся, например, лампочки накаливания, теплые полы, электрическое плиты.

Устройства другой группы в своем составе имеют блок питания, который преобразует переменное напряжение в постоянное нужной величины! И современные блоки питания спокойно могут работать на постоянном токе.

А некоторые источники энергии имеют изначально только постоянное напряжение. Догадались? Да - это солнечные панели))

Более того.
Возможно мы стоим на пороге революции в энергетике, когда переменный ток резко сдаст свои позиции .
Но об этом уже в следующей статье.

Какой электрический ток лучше: постоянный или переменный ток? Чтобы дать ответ на данный вопрос нужно оценить их преимущества и недостатки по следующим основным направлениям: выработка, передача, распределение и потребление электроэнергии. Проще говоря, нужно ответить на следующие вопросы. Какой род тока проще и дешевле получить, затем передать его на большое расстояние, после чего распределить электроэнергию между потребителями. Потребители какого рода энергии более эффективны?

Сегодня преимущественное большинство электрической энергии, добываемой или генерируемой в мире, выпадет на переменный ток. И в первую очередь это связано с тем, что переменный ток проще преобразовывать из более низкого напряжения в более высокое и наоборот, то есть он проще в трансформации.

Место производство электрической энергии большой мощности, к сожалению пока что невозможно базировать в тех местах, где хотелось бы, то есть непосредственно рядом с потребителями. Например, мощную гидроэлектростанцию можно соорудить только на полноводной реке и то не в каждом месте. А конечный потребитель может находиться на расстоянии сотни и тысячи километров от электростанции. Поэтому очень важно обеспечить такие условия, чтобы минимизировать потери мощности в проводах линии электропередачи ЛЭП. В этом случае потери электроэнергии снижаются с ростом напряжения. Давайте остановимся на этом более подробно. Предположим, имеется некая электростанция, а точнее ее генератор, выдающий мощность 1000 кВт и нам необходимо передать эту мощность потребителю, который находится на расстоянии, например на 100 км от генератора.

Для сравнения электрическую энергию будем передавать напряжением 10 кВ и 100 кВ. При заданных мощности и напряжениях определим величины токов, протекающих в проводах.

I₁ = P/U₁ = 1000 кВт/10 кВ = 100 А.

I₂ = P/U₂ = 1000 кВт/100 кВ = 10 А.

Как мы видим, при увеличении напряжения в 10 раз, ток снижается тоже в 10 раз.

Потери электроэнергии в проводах ЛЭП и не только в них определяются квадратом тока, протекающего в них и сопротивлением самого провода. Для простоты расчет примем сопротивление проводов, равным 10 Ом. Подсчитаем потери мощности для обоих случаев.

P_пот1 = I₁ 2 ∙R = 100 2 ∙10 = 100000 Вт = 100 кВт.

P_пот2 = I₂ 2 ∙R = 10 2 ∙10 = 1000 Вт = 1 кВт.

Теперь, как мы видим, с ростом напряжения в 10 раз потери электроэнергии снижаются в 100 раз! При более низком напряжении доля потерь в проводах составляет 10 % от мощности, выдаваемой генератором. А при более высоком напряжении эта доля составляет всего 0,1 %. Поэтому очень важным параметров сравнения родов тока является возможность повышать напряжение, а затем его снижать в конечных пунктах.

Можно было бы и не повышать напряжение, а для снижения потерь применять более толстые провода, но такой подход экономически не оправдан, поскольку медные провода стоят денег.

Также можно было бы и не повышать напряжение генератора, а создать такой генератор, который сразу бы выдавал высокое напряжения. Но здесь возникают сложности при изготовлении таких генераторов. Сложности связаны в основном с изоляцией высоковольтных элементов генератора. Короче говоря, изготовить трансформатор на высокое напряжение гораздо проще и дешевле, нежели генератор.

Преимущества переменного тока

Вопрос повышения и снижения переменного напряжения при нынешнем уровне технического развития решается гораздо проще, чем постоянного электрического тока.

Такие преобразования довольно просто выполняются с помощью относительно простого устройства – трансформатора. Трансформатор обладает высоким коэффициентом полезного действия, который достигает 99 %. Это значит, что не более одного процента мощности теряется при повышении или снижении напряжения. К тому же трансформатор позволяет развязать высокое напряжение с более низким, что для большинства электроустановок является очень весомым аргументом.

Применение трехфазной системы переменного тока позволяет еще больше повысить эффективность системы электроснабжения. Для передачи электричества аналогичной мощности потребуется меньше проводов, чем при однофазном переменном токе. К тому же трехфазный трансформатор меньше габаритов однофазного трансформатора равной мощности.

Электрические машины переменного тока, в частности асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором имеют гораздо проще конструкцию, чем двигатели постоянного тока. Главным преимуществом трехфазных асинхронных двигателей является отсутствие коллекторно-щеточного узла. Благодаря чему снижаются расходы на изготовление и эксплуатацию таких электрических машин. Кроме того за счет отсутствия коллекторно-щеточного узла асинхронные двигатели имеют в разы большую мощность по сравнению с двигателями постоянного тока.

Недостатки постоянного тока

Из выше изложенного следуют такие недостатки.

Сложность повышения и снижения напряжения, то есть преобразования электроэнергии постоянного тока. В первую очередь это вызвано сложность конструкций преобразователей. Поскольку необходимы мощные полупроводниковые ключи, рассчитанные на высокое напряжение. Отсутствие которых приводит к большому числу последовательно и параллельно соединенных полупроводниковых приборов. В результате снижается надежность всего преобразователя, увеличивается стоимость и возрастают потери мощности.
Электрические машины имеют более сложную конструкцию, поэтому менее надежны и более затратные, как в производстве, так и в эксплуатации.
Сложности в развязке высокого и низкого напряжений.

Недостатки переменного тока

Важнейшим недостатком переменного тока является наличие реактивной мощности. Как известно, конденсатор и катушка индуктивности проявляют свои реактивные свойства только в цепях переменного тока. Проще говоря, катушка и конденсатор создают реактивное сопротивление переменному току, но не потребляю его. В результате этого из полной мощности, отдаваемой генератором переменного тока, часть мощности не затрачивается на выполнение полезной работы, а лишь бесполезно циркулирует межу генератором и нагрузкой. Такая мощность называется реактивной и является вредной. Поэтому ее стараются минимизировать.

Однако большинство нагрузок – двигатели, трансформаторы и сами провода являются индуктивными элементами. А чем больше индуктивность, тем большую долю составляет реактивная мощность от полной и с этим нужно бороться.

Второй главный недостаток переменного тока заключается в том, что он протекает не по всему сечению проводника, а вытесняется ближе к его поверхности. В результате снижается площадь, по которой протекает электрический ток, что в свою очередь приводит к увеличению сопротивления проводника и к росту потерь мощности в нем.

Чем выше частота, тем сильнее вытесняется ток к поверхности проводника и в конечном счете, тем выше потери мощности.

Преимущества постоянного тока

Главное преимущество электрической энергии постоянного тока – это отсутствие реактивной мощности. А это значит, что вся мощность, выработанная генератором, потребляется нагрузкой за вычетом потерь в проводах.
Постоянный ток в отличие от переменного протекает по всему сечению проводника.

Указанные два пункта приводят к тому, что если передавать одну и ту же мощность при равных напряжениях постоянным и переменным токами, то потери мощности электроэнергии постоянным током были бы почти в два раза меньше, чем при переменном токе.

К тому же, если рассматривать такие бытовые электронные устройства как ноутбуки, компьютеры, телевизоры и т. п., то все они имеют блоки питания, преобразующие переменное напряжение 220 В (230 В) в постоянное напряжение более низкой величины. А такие преобразования связаны с частичной потерей мощности.

Кроме того, как было сказано ранее, трехфазный асинхронный двигатель (АД) можно подключить напрямую к сети 380 В, что вполне оправдано в том случае, когда не требуется изменять режим работы двигателя. Но если необходимо изменять частоту вращения его вала, то нужно на обмотки статора подавать напряжение, частота и амплитуда которого должны изменяться пропорционально, согласно закону Костенка. Для этого применяют трехфазные автономные инверторы (АИ), чаще всего инверторы напряжения. Такие инверторы должны получать питание от источника постоянного напряжения.

Также следует заметить, что последним временем начали очень широко применяться солнечные батареи, которые вырабатывают постоянный ток. К тому же, значительно возросла мощность аккумуляторных батарей и повысилась емкость суперконденсаторов, которые также относятся к источникам постоянного тока и с каждым днем находят все большее практическое применение.

Выводы: постоянный или переменный ток

Несмотря на все преимущества постоянного тока, значительная сложность, вызванная преобразованием больших мощностей, главным образом сказывается сложность повышения и понижения постоянного напряжения, сводит на нет указанные выше преимущества. Поэтому, до тех пор, пока не будут разработаны полупроводниковые ключи огромной мощности и соответствующие преобразователи на их основе, переменный ток остается вне конкуренции. К тому же сейчас уже применяются четырехквадрантные преобразователи или активные выпрямители, позволяющие скомпенсировать реактивную составляющую нагрузки, что позволяет получить коэффициент мощности, равный почти единице. Благодаря чему исключается потребление реактивной мощности.

Как вы видите, однозначного ответа на вопрос, какой ток лучше: постоянный или переменный, не существует. Следует сравнивать все преимущества и недостатки для конкретного случая.

Только трансформация, передача только на короткие расстояния. Россия из-за 50Гц теряет по сравнению с Европой и США, использующими 60 Гц колоссальные энергии на каждом километре передачи. На большие расстояния передача из-за малых потерь происходит ТОЛЬКО постоянным током.

На 50 Гц емкостное сопротивление выше, потери, стало быть меньше. Xc = 1/(2*Pi*f). Передача э/э на большие. Читать дальше

Студент, учусь на 5 курсе Самарского Университета. Увлекаюсь спортом (футбол, баскетбол). · 10 дек 2018

Переменный ток легче получить и передать на дальние расстояния. Также он хорошо трансформируется, то есть достаточно просто повысить или понизить его напряжение.

Для корректного отображения информации рекомендуем добавить наш сайт в исключения вашего блокировщика баннеров.

Для просмотра в натуральную величину нажмите на картинку

Идея нашего сайта - развиваться в направлении помощи ученикам школ и студентам. Мы размещаем задачи и решения к ним. Новые задачи, которые недавно добавляются на наш сайт, временно могут не содержать решения, но очень скоро решение появится, т.к. администраторы следят за этим. И если сегодня вы попали на наш сайт и не нашли решения, то завтра уже к этой задаче может появится решение, а также и ко многим другим задачам. основной поток посетителей к нам - это из поисковых систем при наборе запроса, содержащего условие задачи

Читайте также: