Каждый из нас с детства слышит, что напряжение 220 В переменного тока — это очень хорошо и экономично, вот американцы не решились перейти на 220 В, и у них осталось 110 В. По образованию и по профессии я инженер-электрик и я полностью согласен с этим утверждением.Но вот если использовать не переменный ток, а постояный…
Для понимания, почему я поднимаю этот вопрос, есть смысл сделать экскурс в историю. Думаю многие знают, или как минимум видели не очень удачный фильм про Томаса Эдиссона «Война токов», что в начальный период использования человеком электрической энергии использовался как постоянный, так и переменный ток. В то время основное назначение электроэнергии было — освещение. Эдиссон использовал электросети с напряжением 100(110)В постоянного тока (110 в скобках по той причине, что Эдиссон на генерации использовал 110 В, чтобы компенсировать потери в проводах). Такие системы не позволяли передавать электричество на значительные расстояния, приходилось генераторы распологать недалеко от мест освещения. Он делал ставку на то, что 100(110)В сверхнизкое безопасное напряжение, то есть при таком напряжении нет опасности поражения человека электрическим током. Сети переменного тока использовали 500 В и позволяли с меньшими потерями передавать электроэнергию на большие расстояния. Но значительных преимуществ еще не было. Все изменилось с изобретением трансформатора и трехфазной системы русским электротехником Михаилом Осиповичем Доливо-Добровольским в 1889 г. Он построил первый трёхфазный асинхронный двигатель и первый трёхфазный трансформатор. На электротехнической выставке во Франкфурте-на-Майне в 1891г. Доливо-Добровольский демонстрировал опытную высоковольтную электропередачу трёхфазного тока протяжённостью 175 км с повышением напряжения для передачи электроэнергии и понижением для потребителей (3-х фазного электродвигателя).
Сведем таблицу с преимуществами и недостатками сетей постоянного тока сверхнизкого напряжения. И как с этими факторами обстоят дела при использовании переменного тока.
Порассуждаем об этих пунктах по порядку.
1. Безопасное напряжение— очень важный фактор. Сегодня используется большое количество схем и решений для предотвращения попадания человека под опасное напряжение, которые удорожают оборудование, устройства и сети:
- Использование двойной или усиленной изоляции,
- Использование УЗО, которое за собой предполагает использование еще одной линии, которая не проводит основной ток во время работы.
- Заземление корпусов оборудования, которое предполагает монтаж дополнительных контуров заземления.
- Требованя по устройству кабелей, токопроводов, чтобы люди не имели возможности прикосновения к токопроводящим частям.
- Большое количество профилактических испытаний оборудования.
При использовании безопасного напряжения защитные электроцепи и дополнительное оборудование необходимы для защиты самого оборудования и обеспечения пожарной безопасности. Вполне достаточно корпуса оборудования и элементы не проводящие основной рабочий ток занулять для обеспечения срабатывания защитных устройств. Что-то в роде системы TN-C. То есть на постоянном токе достаточно использовать 2-х проводную систему.
Рассмотрим уровни токов, которые необходимы нам сегодня в быту:
Электрочайник, утюг, стиральная машина, микроволновая печь, масляный электрообогреватель - если они по 1.8 кВт (обычно они такой мощности) то на 220 В им нужны проводники на 8.2 А, это проводник на 1 кв.мм. На 100 В нужно 18 А честные 1.5 кв.мм меди такой ток выдерживают. На данный момент мы к ним подводим розетки кабелем 3х2.5 кв.мм. Впринципе достаточно и на 100 В такого кабеля, но если использовать кабель 2х4 кв.мм то цена кабеля почти не повысится.
Электроплиты около 4 кВт, обычно запитываем кабелем 3х4 кв.мм, на 100 В лучше использовать 6 кв.мм.
Светильники сегодня почти все светодиодные, поэтому норматив на кабели освещения 1.5 кв.мм на обоих напряжениях достаточен.
Бытовые мультимедиа устройства потребляют немного, поэтому стандартные розетки с кабелями на 2.5 кв.мм вполне достаточны по всему дому.
Если посмотреть картину в целом — сегодня мы запитываем розетки в доме проводниками 2.5 кв.мм светильники 1.5 кв.мм. Можно спокойно использовать эти же электросети в доме на 100 В. Есть смысл увеличить сечения проводников к розеткам на кухне. Если учесть, что на безопасном постоянном токе достаточно использовать 2 проводника, то по расходу меди и кабелей в быту мы выигрываем.
Устройства с большей мощностью - электроплита, электропечь не всегда есть в наших домах, а если есть, обычно протягиваем отдельную линию, поэтому на общий экономический расчет не сильно влияет.
2. Второй значительный фактор— появление реактивной мощности в сетях переменного тока, в среднем в электросетях дома токи в проводниках больше на 10-20 процентов, от тех что мы используем на активную мощность. Поэтому в проводниках приходится учитывать этот запас в сечении кабеля.
Здесь вы мне скажете, - нет оборудования, которое работает от сети 100 В постоянного тока.А я вам скажу - очень много оборудования сегодня работает на этом напряжении.
- Освещение. Сегодня мы используем светодиодное освещение, и оно практически всегда питается от специальных импульсных блоков питания — драйверов. В большинстве случаев лампы одинаково работают как от ~220 В, так и от -100 В.
- Бытовая электроника, компьютеры, зарядники смартфонов — почти вся современная питается от импульсных блоков питания, которые работают, как от ~220 В, так и от -100 В.
- Переносной электроинструмент с коллекторным электродвигателем (почти весь инструмент работающий от сети, пылесосы). Так-как по сути это двигатель постоянного тока, работает прекрасно, только мощность получается заниженная, но работает хорошо. Переносной аккумуляторный инструмент заряжается от зарядников, а это почти всегда импульсные блоки питания, соответственно и они почти всегда будут работать.
- Электрочайник и нагреватели тоже работают, но мощность становится в 4 раза меньше.
В целом стиральные машины некоторых производителей тоже будут работать будет работать, но мощность будет меньше.
Самое существенное, что не будет работать — холодильник, но можно и на него установить компрессор с инвертором от американских холодильников, или купить исполнение для Америки ил Японии, и в большинстве случае он будет работать. То же самое касается другого бытового оборудованрия. С маркетплейсов можно заказать что угодно.
А вообще, если мыслить глобально. Перешли в 60-х годах на повышенное напряжение ~220 В — начали производить соответствующее оборудование. Будут электросети напряжением по -100 В, то и на это напряжение электрооборудование появится. Еще есть такая особенность - блоки питания, различные преобразователи почти всегда сначала переменный ток преобразуют в постоянный, только потом производят необходимые преобразования. Во многих случаях, перевод на сеть постоянного тока позволит убрать целое звено в блоке питания.
На уровне одного дома (подъезда жилого дома) экономические расчеты в пользу использования сетей с безопасным напряжением 100 В. Теперь пройдемся по пунктам, которые не в пользу низковольтных сетей.
3. Передача на большое расстояние. По этому пункту по сути оба проигрывают. Но конечно же на данный момент, установив один Понижающий трансформатор, мы запитываем целый жилой массив (несколько многоподъездных домов, деревню, село) на сегодняшнем напряжении 380/220 В. 100 В постоянного тока, конечно же не даст такой возможности.
Тут есть несколько вариантов:
Первый вариант очевиден - устанавливать побольше трансформаторов с выпрямителями меньшей мощности, с распределением на небольшие участки. Тут нужно изучать влияние выпрямителей на электросеть, и оценить, насколько критична будет появляющаяся мощность искажения от выпрямителя.
Второй вариант использования - организация электросетей, как в США. Там по причине одноэтажных больших жилых массивов не пытались ставить один трансформатор на несколько домов. Там просто на каждый дом по одному трансформатору на опоре, а между домами населенного пункта по этим опорам проходит высокое напряжение. Можно передавать на большем напряжении к потребителям и преобразовывать. То есть на опорах, или между подъездами домов использовать повышенное напряжение, использовать какие-нибудь 900 В переменного тока, затем уменьшать напряжение и выпрямлять.
Эти варианты подходят для использования в существующих электросетях, экономическое обоснование этих изменений зависит от структуры сети и предполагаемого подключаемого оборудования. По поводу оборудования будет отдельная тема чуть дальше.
Третий вариант связан с тем, что сегодня появилось много устройств генерации электроэнергии, связанных с его накоплением и хранением. Именно с появлением таких устройств появилась тема — может нет смысла накопленную энергию в виде постоянного тока инвертировать, устанавливая дополнительное дорогостоящее оборудование. Можно всю электросеть собирать из нескольких устройств генерации и накопления. Простыми словами — солнечные батареи и ветряные электростанции всегда связаны с аккумуляторами, есть смысл собирать в сеть эти аккумуляторы, все генерирующие мощности сложить в одном месте. Получится вполне устойчивая небольшая энергосистема.
4. Повышение напряжения, для передачи на большие расстояния. Это и есть главная причина, почему переменный ток победил в противостоянии и у нас в розетке переменное напряжение. Схема на рис.3 показывает реализацию.
Очень хорошее устройство трансформатор:
- позволяет повышает и понижать напряжение с минимальными потерями
- обеспечивает гальваническую развязку между сетями, что способствуют минимальному воздействию неблагоприятных факторов, возникающих в сети, на оборудование и неблагоприятных факторов от оборудования к сети.
- Трансформатор можно рассматривать как отдельный источник питания
При использовании постоянного тока трансформатор будет работать, только если инвертировать ток в переменный. На самом деле такие системы передачи электроэнергии есть в Японии. Для передачи электроэнергии под водой используют постоянный ток, так-как на переменном напряжении очень сильно возрастает реактивная мощность и эффективнее выпрямлять ток после повышения напряжения и обратно инвертировать для понижения напряжения. Для передачи по воздуху безусловно лучше использовать переменный ток, поэтому в статье речь идет только об электричестве в быту.
5. Электродвигатели переменного тока, как и генераторы очень надежные стабильно работающие устройства. Генерация основной части электроэнергии на генераторах переменного тока — еще одна причина широкого распространения переменного тока. Сегодня даже там где используется постоянный ток (автомобили, транспорт, спецтехника) генерация происходит на переменном токе, затем выпрямляется именно по той причине, что получаются гораздо дешевле генераторов постоянного тока. Выпрямлять также недорого и бытовое напряжение, поэтому генераторы переменного тока не препятствие для использования постоянного тока в быту.
С электродвигателями ситуация чуть другая. В быту не так много электродвигателей переменного тока, обычно мощность не более 2.2 кВт. Часто используются электродвигатели с рабочими и пусковыми конденсаторами. Эффективность таких двигателей около 70 %, с использованием преобразователей эффективность должна возрасти, но это приведет к увеличению стоимости.
Обмотки 3-ф электродвигателей намотаны на 220 В при использовании соединения в треугольник, на 380 В при использовании соединения в звезду. Это позволяет в 1-ф сетях использовать 3-ф двигатели с использованием преобразователей частоты. Но здесь нужно учесть, что преобразователи частоты перед инвертированием выпрямляют переменный ток, и в быту при использовании постоянного тока можно делать устройства без выпрямителя. А для использования 3-ф двигателей можно в ПЧ использовать умножители напряжения.
Коллекторные электродвигатели работают без проблем, только мощность уменьшается.
Сегодня все большее распространение получают бесщеточные вентильно-индукторные двигатели, они без электронных систем управления не работают впринципе, по цене могут конкурировать с 3-ф двигателями с преобразователями частоты, получаются значительно легче. Для современных двигателей нет разницы от какого типа тока питаться, на постоянном токе такие системы получатся дешевле.
6. Легко реализовать источники бесперебойного питания (ИБП) с использованием аккумуляторов и простых устройств АВР без использования преобразователей
При описывании 3 фактора уже коснулся этой темы. Альтернативная энергетика - солнечные батареи и ветряные электростанции, всегда связаны с аккумуляторами это и есть ИБП. При использовании постоянного тока несколько домов могут собраться в сеть и обеспечивать бесперебойное питание друг друга, причем можно частично объединять в общую сеть основную часть аккумуляторов оставить независимыми. На постоянном токе очень много вариантов реализации бесперебойного питания.
Отдельный вопрос — аккумуляторы. Сегодня в основном используются свинцово-кислотные и литиевые батареи. Основной недостаток — деградация емкости по мере использования. С экологией тоже возникают вопросы. В этой ситуации самый очевидный вариант — использование суперконденсаторов (ионисторов). Деградации практически нет, с точки зрения экологии это просто уголь. Есть недостаток - ощутимый саморазряд. Установка точечной сварки на суперконденсаторах теряет заряд за 1 месяц на 0.5 В. Это конечно ощутимо, но если ежедневно пополнять заряд от энергии солнца, то эти потери скомпенсируются. Другой существенный недостаток — цена. Но если начать производить в больших масштабах и улучшать технологию, вплоть до изготовления графеновых конденсаторов, то явно и стоимость будет ниже и саморазряд тоже можно исключить. По цене есть еще один момент. Литиевые аккумуляторы за счет улучшения технологии смогли значительно уменьшить стоимость, но из-за редкоземельности лития и других материалов для изготовления таких аккумуляторов, по мере наращивания объемов производства, цена только растет. В этой ситуации суперконденсаторы имеют гораздо лучшие перспективы, по экологии тем более вопросов не возникает.
Рассмотрим, как сегодня устроено питание с использованием резервирования от альтернативных источников.
Аккумуляторы на 12В (обычно свинцово-кислотные) заряжаются от солнечных батарей, ветряного генератора, иногда от сети. Для питания домашних устройств используется инвертор. Есть решения с отдачей лишней энергии в электросеть с использованием специальных преобразователей и счетчиков электроэнергии. В целом вполне эффективная система.
В своей практике я столкнулся с тем, что при инвертировании на самом деле нет чистого синуса и искажения начинают воздействовать на электронные устройства. С увеличением мощности и по мере старения инвертор начинает еще больше искажать синус, и воздействие становится более заметным. По этой причине отказался от инвертора и использую системы, которые питаются сразу же от аккумуляторов. Но питание от 12 В напрямую поддерживают мало устройств, а вот от 48 В уже многие блоки питания выдают необходимое для электронных устройств напряжение.
Получив такой опыт я начал поиск оптимального напряжения для питания напрямую от аккумуляторов, остановился на 100 В, так-как это безопасное напряжение и при этом очень многие устройства работают без преобразования. Кроме этого на постоянном токе легко собирать энергосистемы из нескольких батарей аккумуляторов, расположенных друг от друга в пределах 200-300 м. В жилом секторе вполне реализуемая система.
Резюме:
- В быту вполне можно использовать сети с безопасным напряжением 100 В постоянного тока
- Развитие альтернативной энергетики, электроники, электрооборудования способствует большему распространению использования постоянного тока с безопасным напряжением 100 В
- Использование постоянного тока в быту ведет к уменьшению расходов по эксплуатации бытового электрооборудования
- Электросети с повышением напряжения для передачи и распределения электроэнергии не теряют актуальности, если в быту использовать постоянный ток с преобразованием переменного тока в постоянный