Якби ми могли розпочати нашу електричну мережу з нуля за допомогою сьогоднішньої технології, яка була б найбільш ефективним вибором? Змінного чи постійного струму?

Останнім часом я читав про багато переваг систем передачі HVDC для передачі на великі відстані, підводних ліній та ін. Історична причина, по якій змінено змінного струму над постійним струмом, здебільшого пояснюється винаходом трансформатора, який дозволив легко управляти змінного струму, що дозволяє передавати високу напругу на великі відстані.

Однак після винаходу ртутних клапанів, тиристорів, IGBT та всіх цих компонентів, які зробили можливим передачу постійного струму, я думав, що якби у нас була мережа постійного струму, ми могли б позбутися всіх випрямлячів змінного та постійного струму, які ми знаходимо в наші електронні прилади. Це може значно підвищити енергоефективність та заощадити тони грошей на ресурсах.

Якби ми мали можливість почати все спочатку, чи може система передачі постійного струму на основі бути краще ¹ вибором, або ж змінний струм все ще приходить на вершині?

^{1: з кращим , я маю на увазі більш енергоефективним .}

Трохи історії

Пропозиції, що стоять за цією темою, суперечать тому, що багато інженерів-електриків викладали з першого курсу, - що змінна струм краще для передачі електроенергії. Зрештою, у "війні течій" наприкінці 1800-х років саме Тесла допоміг Вестінгхаусу боротися за змінного струму, врешті перемігши мрії Едісона про імперію постійного струму.

Основною перевагою використання змінного струму над постійним струмом в цей час була ефективність. Стало дедалі легше перетворювати одну напругу змінного струму на іншу, особливо в порівнянні з витратами, труднощами та неефективністю перетворення однієї напруги постійного струму на іншу в той час. Згідно з Першим законом Джоула , кількість енергії, витраченої як тепло на лінії електропередачі, пропорційна поточному квадрату. Враховуючи, що лінії електропередачі мають відомий (в основному) фіксований опір, то для передачі такої ж потужності набагато більше витрачається в низьковольтній, струмовій передачі низької напруги, ніж у високовольтній, низькострумовій передачі. Як зазначалося, перетворювати напруги постійного струму на досить високий рівень, щоб перевищити втрати лінії, було дуже недоцільно, порівняно з відносною легкістю перетворення напруг змінного струму.

Як зауваження, багато місць ніколи повністю не перейшли від оригінальних систем передачі постійного струму до змінного струму до середини 20 століття.

Про історію ви можете прочитати тут .

Введіть сучасний електричний дизайн

Це не означає, що AC не має своїх проблем. Ефект шкіри є одним із прикладів того, що змінна струм менш ефективний, ніж постійний струм, але він все ще не компенсує вищезазначені втрати лінії. Інша проблема - коронний розряд, що виникає при високих рівнях напруги передачі. На великих відстанях живлення змінного струму також має проблеми зі стабільністю. У цій статті IEEE розміщено декілька різних відстаней, зазначаючи, що реактивність лінії можна компенсувати на відстані до 600 - 700 миль.

Завдяки сучасним реалізаціям ртутних клапанів, тиристорів та IGBT, а також ефективних засобів перетворення напруги постійного струму, передача HVDC є не тільки можливою, але й долає багато проблем, що стикаються з передачею HVAC. Загальна відстань передачі набагато більша, і зазначені ефекти змінного струму долаються. Крім того, вартість, пов'язана з HVDC, менша, ніж HVAC, після того, як буде перекреслений поріг відстані. Цей диференціал витрат детально розглянуто в цій роботі, що включає також розподіл вартості підстанцій електроживлення. Вартість також обговорюється за посиланням, яке надав Джейк у своїй відповіді .

Справа в тому, що нинішня електрична інфраструктура базується на передачі живлення змінного струму. Переважна більшість сучасних технологій вимагає такого типу живлення для правильної роботи, і якби змінного струму ніколи не використовували, я сумніваюся, у нас буде багато технічних «досягнень», які ми знаємо і любимо. Теоретично, використання лише HVDC може виявитись більш ефективним, але для компенсації різниці у вартості гібридна система HVAC / HVDC є найкращим рішенням, принаймні в цей момент у людському розвитку.

З підвищенням вартості міді та інших корисних металів та екологічних проблем із застосовуваними в них ізоляційними маслами трансформатори змінного струму великої потужності стають дуже дорогими порівняно з їх твердими еквівалентами. Це стосується не тільки вартості обмоток, але й великих металевих корпусів, а також транспортних та монтажних витрат, пов'язаних з такими великими трансформаторами.

Перехід на високовольтну передачу постійного струму, ймовірно, був би ефективним з точки зору ефективності, однак це може бути меншою вартістю, якби у нас вже не була створена нинішня інфраструктура. Трансформатори все ще знадобляться, але замість низькочастотних силових трансформаторів ми б з'єднували напівпровідникові перетворювачі постійного струму з силовими трансформаторами високої частоти, які можуть бути набагато меншими (тим самим дешевшими) за однакову кількість потужностей перетворення потужності.