Proč je stejnosměrný proud horší než střídavý?

Který elektrický proud je lepší: stejnosměrný nebo střídavý? K zodpovězení této otázky je třeba zhodnotit jejich výhody a nevýhody v těchto hlavních oblastech: výroba, přenos, distribuce a spotřeba elektřiny. Jednoduše řečeno, musíte odpovědět na následující otázky. Jaký typ proudu je snazší a levnější získat, pak jej přenést na velkou vzdálenost a poté elektřinu distribuovat mezi spotřebitele. Jaký typ spotřebitelů energie je efektivnější?

Dnes bude naprostá většina elektrické energie vyráběné nebo vyráběné ve světě pocházet ze střídavého proudu. A za prvé je to způsobeno tím, že střídavý proud se snadněji převádí z nižšího napětí na vyšší a naopak, to znamená, že se snáze transformuje.

Bohužel zatím není možné založit výrobu výkonové elektrické energie v místech, kde bychom chtěli, tedy přímo u spotřebitelů. Například výkonnou vodní elektrárnu lze postavit pouze na hluboké řece, a i to ne na každém místě. A konečný spotřebitel se může nacházet stovky či tisíce kilometrů od elektrárny. Proto je velmi důležité zajistit takové podmínky, aby se minimalizovaly ztráty výkonu v drátech vedení pro přenos energie. V tomto případě ztráty elektřiny klesají s rostoucím napětím. Podívejme se na to podrobněji. Předpokládejme, že existuje určitá elektrárna, respektive její generátor, který vyrábí výkon 1000 kW a tento výkon potřebujeme předat spotřebiteli, který se nachází ve vzdálenosti např. 100 km od generátoru.

Pro srovnání budeme přenášet elektrickou energii o napětí 10 kV a 100 kV. Pro daný výkon a napětí určíme velikost proudů tekoucích ve vodičích.

I₁ = P/U₁ = 1000 kW/10 kV = 100 A.

I₂ = P/U₂ = 1000 kW/100 kV = 10 A.

Jak vidíme, když se napětí zvýší 10krát, proud také klesne 10krát.

Ztráty elektřiny v drátech přenosového vedení a nejen v nich jsou určeny druhou mocninou proudu, který v nich teče, a odporem samotného drátu. Pro jednoduchost výpočtu předpokládáme odpor vodičů 10 ohmů. Spočítejme výkonové ztráty pro oba případy.

P_pot1 = I₁ 2 ∙R = 100 2 ∙10 = 100000 100 W = XNUMX kW.

P_pot2 = I₂ 2 ∙R = 10 2 ∙10 = 1000 1 W = XNUMX kW.

Nyní, jak vidíme, při 10násobném zvýšení napětí se ztráty elektřiny sníží 100krát! Při nižších napětích je podíl ztrát ve vodičích 10 % výkonu dodávaného generátorem. A při vyšších napětích je tento podíl pouze 0,1 %. Proto velmi důležitým parametrem pro porovnávání typů proudu je schopnost napětí zvýšit a následně v koncových bodech snížit.

Bylo by možné nezvyšovat napětí, ale používat silnější dráty ke snížení ztrát, ale tento přístup není ekonomicky odůvodněný, protože měděné dráty stojí peníze.

Bylo by také možné nezvyšovat napětí generátoru, ale vytvořit generátor, který by okamžitě produkoval vysoké napětí. Zde však vznikají potíže při výrobě takových generátorů. Potíže jsou spojeny především s izolací vysokonapěťových prvků generátoru. Zkrátka je mnohem jednodušší a levnější vyrobit vysokonapěťový transformátor než generátor.

Výhody AC

Problematika zvyšování a snižování střídavého napětí na současné úrovni technického rozvoje je mnohem snáze řešitelná než stejnosměrný elektrický proud.

Takové transformace se poměrně snadno provádějí pomocí relativně jednoduchého zařízení – transformátoru. Transformátor má vysokou účinnost, která dosahuje 99 %. To znamená, že se při zvýšení nebo snížení napětí neztratí více než jedno procento výkonu. Transformátor navíc umožňuje oddělit vysoké napětí od napětí nižšího, což je pro většinu elektroinstalací velmi silný argument.

Použití třífázového střídavého systému může dále zlepšit účinnost systému napájení. Pro přenos elektřiny o stejném výkonu bude potřeba méně vodičů než u jednofázového střídavého proudu. Kromě toho je třífázový transformátor menší velikosti než jednofázový transformátor stejného výkonu.

Střídavé elektrické stroje, zejména asynchronní motory s kotvou nakrátko, mají mnohem jednodušší konstrukci než stejnosměrné motory. Hlavní výhodou třífázových asynchronních motorů je absence sestavy komutátor-kartáč. To snižuje náklady na výrobu a provoz takových elektrických strojů. Navíc díky absenci sestavy komutátor-kartáč mají asynchronní motory mnohonásobně větší výkon ve srovnání se stejnosměrnými motory.

Nevýhody DC

Z výše uvedeného vyplývají následující nedostatky.

1. Obtížnost zvyšování a snižování napětí, tedy přeměna stejnosměrné elektřiny. To je způsobeno především složitostí konstrukcí převodníků. Protože jsou vyžadovány výkonné polovodičové spínače určené pro vysoké napětí. Jejich absence vede k velkému počtu sériově a paralelně zapojených polovodičových součástek. V důsledku toho klesá spolehlivost celého měniče, rostou náklady a rostou výkonové ztráty.
2. Elektrické stroje mají složitější konstrukci, proto jsou méně spolehlivé a dražší jak ve výrobě, tak v provozu.
3. Obtíže při oddělování vysokého a nízkého napětí.

Nevýhody AC

1. Nejdůležitější nevýhodou střídavého proudu je přítomnost jalového výkonu. Jak je známo, kondenzátor a induktor vykazují své reaktivní vlastnosti pouze v obvodech střídavého proudu. Jednoduše řečeno, cívka a kondenzátor vytvářejí reaktanci na střídavý proud, ale nespotřebovávají ho. Výsledkem je, že z celkového výkonu dodávaného alternátorem není část výkonu vynaložena na vykonávání užitečné práce, ale pouze zbytečně cirkuluje mezi generátorem a zátěží. Tento výkon se nazývá jalový výkon a je škodlivý. Proto se to snaží minimalizovat.

Většina zátěží – motory, transformátory a samotné vodiče – jsou však indukční prvky. A čím větší je indukčnost, tím větší je podíl jalového výkonu na celkovém a to je třeba řešit.

1. Druhou hlavní nevýhodou střídavého proudu je, že neprotéká celým průřezem vodiče, ale je posunut blíže k jeho povrchu. V důsledku toho se zmenšuje plocha, kterou protéká elektrický proud, což následně vede ke zvýšení odporu vodiče a zvýšení výkonových ztrát v něm.

Čím vyšší je frekvence, tím více proudu je vytlačeno na povrch vodiče a v konečném důsledku tím vyšší je ztráta výkonu.

Výhody DC

1. Hlavní výhodou stejnosměrné elektrické energie je absence jalového výkonu. To znamená, že veškerá energie generovaná generátorem je spotřebována zátěží mínus ztráty ve vodičích.
2. Stejnosměrný proud, na rozdíl od střídavého, protéká celým průřezem vodiče.

Tyto dva body vedou k tomu, že pokud je stejný výkon přenášen při stejných napětích stejnosměrným a střídavým proudem, pak by byly výkonové ztráty elektřiny u stejnosměrného proudu téměř poloviční než u střídavého proudu.

Pokud navíc vezmeme v úvahu taková zařízení spotřební elektroniky, jako jsou notebooky, počítače, televize atd., pak všechny mají zdroje, které převádějí střídavé napětí 220 V (230 V) na stejnosměrné napětí nižší hodnoty. A takové přeměny jsou spojeny s částečnou ztrátou moci.

Kromě toho, jak již bylo zmíněno dříve, lze třífázový asynchronní motor (IM) připojit přímo k síti 380 V, což je zcela opodstatněné v případě, kdy není nutné měnit provozní režim motoru. Pokud je však nutné změnit frekvenci otáčení jeho hřídele, je nutné přivést napětí na vinutí statoru, jehož frekvence a amplituda se musí úměrně měnit podle Kostenkova zákona. K tomu se používají třífázové autonomní měniče (AI), nejčastěji napěťové měniče. Takové měniče musí být napájeny ze zdroje konstantního napětí.

Je třeba také poznamenat, že v poslední době se začaly velmi široce používat solární panely, které generují stejnosměrný proud. Navíc výrazně vzrostl výkon dobíjecích baterií a zvýšila se kapacita superkondenzátorů, které rovněž patří ke zdrojům stejnosměrného proudu a nacházejí každým dnem stále praktičtější uplatnění.

Závěry: stejnosměrný nebo střídavý proud

Přes všechny výhody stejnosměrného proudu neguje výše uvedené výhody značná složitost způsobená přeměnou velkých výkonů, ovlivňující především obtížnost zvyšování a snižování stejnosměrného napětí. Dokud tedy nebudou vyvinuty polovodičové spínače obrovského výkonu a na nich založené odpovídající měniče, zůstává střídavý proud mimo konkurenci. Kromě toho se dnes pro kompenzaci jalové složky zátěže používají čtyřkvadrantové měniče nebo aktivní usměrňovače, což umožňuje získat účiník rovný téměř jednotce. Tím se eliminuje spotřeba jalového výkonu.

Jak vidíte, neexistuje jednoznačná odpověď na otázku, který proud je lepší: přímý nebo střídavý. Všechny výhody a nevýhody pro konkrétní případ by měly být porovnány.