Мы воспринимаем электроэнергию как должное. Это становится до боли очевидным, когда происходит сбой питания. В полной темноте, неся фонарик, мы рассеянно пытаемся включить свет, а при отсутствии электричества на долго, лишает нас возможности нормально функционировать, ведь есть люди, у которых в смартфонах есть напоминания – вдыхай, выдыхай. Они банально задыхаются без электричества.
Для нас уже не секрет, что напряжение в сетях в европе и в северной америке разные. В этом нет ничего удивительного. Но почему? Почему в большинстве стран мира напряжение в розетках в США в два раза больше? И почему европейский переменный ток (AC) работает с частотой колебания 50 циклов в секунду (50 герц, 50 Гц), а переменный ток в Северной Америке (включая Мексику) составляет 60 герц? Одно лучше другого? Как это случилось?
Если вы посмотрите вокруг, вы обнаружите большое разнообразие напряжений электроэнергии. В Японии почему-то 100 вольт — это самое низкое в мире напряжение в бытовой электросети. (И половина страны - 50 Гц, другая 60 Гц, очевидно, результат немецкого и американского оборудования еще в 1890-х.) Электросеть Европы, самая унифицированая в мире, установлена на 230 В (стандарт ЕС с 2008 года). Электросеть США гораздо хуже интегрирована, но по всей Северной Америке номинальное напряжение составляет 120 вольт. (Фактическое напряжение в розетке или выключателе света в любой системе может варьироваться на плюс или минус 5–10 процентов.) В большинстве стран мира используется 220–240 вольт. Конечно, во всем мире опоры электропередач или подземные линии передают энергию с гораздо более высоким напряжением.
На самом деле в США и Канаде также есть напряжение 200+ вольт, а точнее 240 вольт. Электроэнергия, поступающая в дом или офис в Северной Америке, на самом деле составляет 240 вольт, которые затем разделяются на две линии по 120 вольт (обычная трехпроводная система с расщепленной фазой). Розетки на 120 В предназначены для освещения, мелкой бытовой техники и других устройств (телевизор, компьютер, тостер и т. Д.). Духовка, плита, кондиционер, электрический водонагреватель, зарядное устройство для электромобилей и другие мощные устройства используют полные 240 вольт, используя специальные заземленные вилки и розетки, которые больше, чем розетки на 120-вольт. В Европе обычные розетки - 230 вольт, а мощные приборы - 400 вольт (ранее 380 вольт).
Но почему?
Но почему, спросите вы, существует стандарт на 120 вольт в Северной Америке и на 230 вольт в Европе? Точные причины неясны, но есть несколько хороших кандидатов. Первый ответ, которую цитируют большинство — это Томас Эдисон. Хотя он не был первым, кто изобрел электрическую лампочку, Эдисона помнят, как изобретателя, потому что он не просто изобрел лампочку накаливания, он улучшил его до состояния пригодного для использования. А еще он изобрел целую систему, чтобы его лампочка работала. В каком-то смысле можно сказать, что лампочка - не самое главное. Это была просто часть силового агрегата: генератор, главный фидер, распределительные линии, домашняя проводка и электрические лампочки.
И именно в этом был гений Эдисона: «У меня есть не только лампочка, я предлагаю вам целую систему, чтобы зажечь ее». Он упорно трудился, чтобы придумать нить, которая будет гореть в течение сотен часов. И какое напряжение лучше всего работает с его лампочкой? Магическим числом было 110 вольт. Все силовые установки Эдисона в Соединенных Штатах были на 110 вольт постоянного тока. (Именно часть постоянного тока стала падением Эдисона. Постоянный ток не может перемещаться на большие расстояния. Джордж Вестингауз и другие использовали переменный ток и выиграли «войну токов». Так же тут хочу небольшую историческую справку дать. Войну токов выиграл не Тесла и даже не Вестингауз, его выиграла Германская компания AEG (Allgemeine Elektrizitäts-Gesellschaft), в лице их директора и гениального инженера М. О. Доливо-Добровольский. Творческая и инженерная деятельность М. О. Доливо-Добровольского была направлена на решение задач, с которыми неизбежно пришлось бы столкнуться при широком использовании электроэнергии. Работа в этом направлении, на основе полученного Николой Теслой двухфазного тока, в необычайно короткий срок привела к разработке трёхфазной электрической системы, которая не изменилась до сих пор и совершенной, в принципе, не изменившейся до настоящего времени конструкции асинхронного электродвигателя . )
110V> 115V> 120V
Сеть электроснабжения США начиналась с напряжения 110 вольт. К 1930-м годам напряжение выросло до 115. К началу 1950-х годов по крайней мере 75 процентов лампочек, продаваемых в США, были рассчитаны на 120 вольт. По состоянию на 1984 год официальное стандартное напряжение в США составляло 120 В настоящее время энергокомпании США обязаны подавать питание с напряжением, которое не отклоняется более чем на 5% от номинальных 120 вольт в любую сторону. Это означает, что фактическое напряжение должно оставаться в пределах от 114 до 126 вольт.
Второй ответ может быть правдой, а может и нет, но некоторые продвигают его. (или, может быть, оба ответа правильные и все это совокупность множества причин.)
Дуговый тип освящения появился раньше, чем лампа накаливания. Но он был слишком ярким и опасным для использования в помещениях, но какое-то время его использовали в некоторых городах в уличных фонарях.
Стандартная дуговая лампа работает от 50 или 55 вольт. Но это напряжение было слишком низким, чтобы можно было передавать электричество до столба без больших потерь. Поэтому, обычно, использовались две дуговые лампы последовательно, что означало напряжение 100 или 110 вольт. Так что 100 или 110 вольт стали нормой еще до того, как появилась привычная нам лампа накаливания. В 1892 году первая в Германии линия передачи переменного тока на большие расстояния между Лауффеном и Франкфуртом (см. Ниже) передавала переменный ток напряжением 55 В и частотой 40 Гц. (Частота цикла переменного тока сильно варьировалась в первые дни использования переменного тока, варьировалась от 40 до 133 герц, прежде чем 50 Гц и 60 Гц стали стандартами, используемыми сегодня.)
Но почему в мире до сих пор существуют два разных основных стандарта напряжения (100–120 В и 220–240 В)?
От 100 до 240 вольт по всему миру
Как мы видели выше на примере японской 100-вольтовой системы 50 Гц / 60 Гц, эта странность уходит корнями в прошлое, когда две конкурирующие фирмы из разных стран использовали два разных технических стандарта. Причина, по которой он не менялся с 1890 года, та же, по которой в Северной Америке до сих пор действует 120-вольтное питание, а в Европе - 230 вольт: внесение изменений - замена старых приборов, лампочек, проводки, трансформаторов и генераторов - дало бы большие затраты и трудности. США, которые начинали с питания 110 вольт, фактически рассматривали возможность перехода на более эффективную бытовую энергию 220 вольт в 1950-х годах. Европа разработала свою систему на 220 вольт (теперь 230 вольт) после изучения американского опыта и до того, как потребовались какие-либо серьезные изменения инфраструктуры. Но в некоторых частях Европы также было изначально 120 вольт.
Европа
Первой в мире крупномасштабной центральной электростанцией была паровая электростанция Edison Electric Light Company на Холборнском виадуке в Лондоне, которая начала работу в январе 1882 года. Холберн производил 110-вольтный постоянный ток. Лондонская станция послужила образцом для строительства гораздо более крупного - Перл-Стрит на Манхэттене, первой в мире коммерческая центральная электростанция. Но постоянный ток Эдисона проиграл битву переменного и постоянного тока переменному току, будущее принадлежал AC.
Именно немцы ввели в Европу мощность переменного тока. Международная электротехническая выставка 1891 года в Германии окажется ключевым событием в развитии электроэнергетики. На выставке была представлена гидроэлектростанция в Лауффене с линиями электропередачи, простирающимися на 109 миль (176 км) к северу до Франкфурта-на-Майне. Линия Лауффен-Франкфурт была первой эффективной системой передачи электричества на большие расстояния. Спроектированный и установленный немецкой компанией AEG, проект продемонстрировал превосходство трехфазной системы переменного тока Михаила Осиповича Доливо-Добровольского над системами постоянного тока Эдисона и двухфазными системами переменного тока Теслы. Он передавал переменный ток напряжением 55 В и частотой 40 Гц. (Уроженец России Доливо-Добровольский[1862-1919] иммигрировал в Германию, чтобы изучать электротехнику в Дармштадте. Позже он работал в Берлине и Лозанне и проделал важную работу в области электротехники и получил более 60 патентов. Его могила находится в Дармштадте.) AEG Эмиля Ратенау ( Allgemeine Electricitätsgesellschaft ) стала лидером в области технологий переменного тока, опередив Сименс и Эдисон, и это стало важным фактором в превращении AEG в глобальную фирму. AEG было новым названием немецкой компании Edison.
Электропитание переменного тока 230 В, 50 Гц
Примерно в 1893 году частоты переменного тока были стандартизированы на 60 Гц (США) и 50 Гц (Европа). Американская Westinghouse Electric Company и немецкая AEG установили свое генерирующее оборудование для работы на частоте 60 Гц и 50 Гц соответственно, открыв путь к тому, что станет двумя стандартными частотами переменного тока в мире. Сегодня большинство систем 60 Гц обеспечивают номинальное напряжение 120/240 вольт, а большинство систем 50 Гц - номинальное 230 вольт.
Независимо от напряжения, 60 Гц более эффективен, чем 50 Гц, факт, установленный новаторской работой Tesla. (Он также предпочитал мощность 240 В.) Частота 50 Гц на 20 процентов менее эффективна при генерации и на 10-15 процентов менее эффективна при передаче. Электродвигатели также намного менее эффективны на более низкой частоте. Сегодня только несколько стран (Антигуа, Гайана, Перу, Филиппины, Южная Корея и некоторые другие) следуют совету Tesla и используют частоту 60 Гц вместе с напряжением 220-240 В.
Стоимость была основной причиной, по которой Европа перешла на 220 вольт (сейчас 230). Как ни странно, более высокие напряжения позволяют использовать более тонкие провода, что означает меньше меди на начальных этапах создания линий электропередач. Энергетические компании могли бы сэкономить на проводе, используя 220 вольт вместо 110. Берлин - один из примеров.
Берлин
В 1899 г. берлинское предприятие электроснабжения Berliner Elektrizitäts-Werke (BEW) решило значительно увеличить свои распределительные мощности, переключившись на номинальное напряжение 220 В и воспользовавшись преимуществами более высокого напряжения недавно разработанных металлических ламп накаливания. Компания смогла компенсировать расходы на переоборудование заказчика за счет экономии на более тонких медных линиях электропередачи. Это стало моделью для распределения электроэнергии в Германии и остальной Европе, а система на 220 вольт (позже 230 вольт) вскоре стала европейской нормой.