Переменный ток против постоянного

На первый взгляд вопрос странный.

Однако, как только мы начнем внедрять электрические генераторы, этот вопрос всплывет.

И, как оказывается, однозначного ответа не него нет.

Поэтому давайте сравним плюсы и минусы, а начнем с рассмотрения ситуации, которая происходила в реальности — с мини-войны Эдисона и Вестингауза…

Все началось с того, что в 1879 году Эдисон получил патент на лампочку. То есть — на лампу накаливания с углеродной нитью. Это была не первая лампочка накаливания, идея висела в воздухе. Но это была первая лампочка, которая годилась к массовому производству — это был не макет, а готовая к внедрению модель.

Весь смысл изобретения в том, что до электролампочки электричество в быту было не нужно. Сейчас у нас куча кухонных комбайнов, стиральных машин и пылесосов. Тогда с этими задачами справлялась служанка (и что-то мне подсказывает, что готовила она лучше Moulinex`а в моих руках). До холодильников и радиоприемников дело еще не дошло, а все остальные применения были промышленными. Даже бытовой электромеханический вибратор был запатентован в 1880 году (на следующий год после изобретения лампочки, и является одним из первых бытовых электрических приборов).

Итак, годная к продаже лампочка была, но кому она была нужна, если жилые помещения были неэлектрифицированы?

Томас Элва Эдисон был настоящим американцам и увидел здесь очень широкие возможности для бизнеса.

Он создал «Эдисон Электрик Компани», создал генератор постоянного тока (картинка слева), построил электростанцию в Нью-Йорке и начал протягивать электрические сети — сначала для освещения улиц, а потом и квартир.

Но так как генератор у него был постоянного тока и сети он протягивал тоже постоянного тока.

Он был первый и всё, на первый взгляд, было в шоколаде.

Однако, случилось непредвиденное.

Тесла придумал генератор переменного тока и за космическую сумму в 1 млн долларов продал пакет из 40 изобретений по оборудованию переменного тока в компанию Westinghouse Electric. Это произошло в 1888 году, а с 1890 года компания Эдисона почувствовала жесткую конкуренцию.

Борьба была нешуточная.

И велась она, как ни странно, не в технической области (тогда это все было слишком ново и мало кто понимал разницу), а именно в области PR. Эдисон доказывал не эффективность использования постоянного тока, а именно то, что понимал обыватель — что постоянный ток для здоровья куда менее опасен, чем переменный. Сотрудники Эдисона ездили по городам и публично демонстрировали, как переменный ток убивает бродячих животных. Апофеозом оказался слон, который затоптал пятерых в Нью-Йорке и владелец которого решил избавиться от животного. Слон был убит переменным током, это было снято на кинопленку и в дальнейшем демонстрировалось как учебный фильм. Желающие могут найти это видео в википедии — слониху звали Топси, ей в 2003 году зачем-то поставили памятник.

Однако, так случилось, что Эдисон сам себя перехитрил.

В то время приговоренных к смерти преступников казнили через повешение. Надо сказать, не самый эстетичный вид казни, а тут — эпоха просвещения, электрическое освещение, монгольфьеры летают, Жюль Верн книги пишет — и казнь через повешение. Как-то не комильфо.

Но почему-то, вместо использования обкатанной технологии гильотины, специально созданный комитет по обновлению методов казни обратился к Эдисону.

Эдисон сначала отказался с ними сотрудничать — его наука таким не занимается.

Но потом ему пришла «гениальная» идея. Он посоветовал использовать для казни переменный ток конкурента — чтобы этого конкурента очернить. Все-таки одно дело упокоенный слон, а другое дело — казнь преступников.

Первый электрический стул сделали в 1890-м, но первая же казнь оказалась ужасной. Приговоренный к смерти отказывался умирать. Его в общей сложности долбали током 9 минут и скорее зажарили электричеством, чем убили. В общем, казнь получилась жуткая, куда страшнее чем ему бы просто отрубили голову. То есть вроде бы все произошло очень удачно с точки зрения Эдисона.

Однако, Эдисон не рассчитал общественное мнение. Авторитет Эдисона в области электричества в то время был непререкаем. И люди забыли, что казнь проводилась методами конкурента Эдисона, важно было лишь то, что посоветовал это Эдисон. То есть виновником такой казни оказались совсем не конкуренты, чей переменный ток использовался. И люди отвернулись от Эдисона, в прессе много писали против него и в результате — в электрической розетке мы все сейчас имеем переменный ток.

Однако, если взять Нью-Йорк, который первым начал электрифицироваться постоянным током, то лифты, вентиляторы и помпы, работающие на постоянном токе, были отключены только в 2007 году, а метро до сих пор ездит на постоянном токе (и отнюдь не только в Нью-Йорке). Победа переменного тока ни у кого не вызывает сомнения, но в 2005 году в Нью-Йорке было еще 1600 потребителей сети постоянного тока… Пацаны не знали?

Давайте это выясним.

Просто сведем плюсы постоянного тока и переменного.

Итак, ПЛЮСЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА:

1. Некоторые электрические приборы (например, радио или электролитическая ванна) должны питаться постоянным током. И в начальных условиях будут важны именно устройства с питанием от постоянного тока — попаданцу нужна гальваника. В случае постоянной сети мы его и так имеем, нам не нужен выпрямитель, который в древности сделать либо очень сложно, либо вообще нельзя. Особенно весело с силовыми выпрямителями, рассчитанными на большие токи-напряжения. Вообще механические выпрямители — это жесть! Но и ртутные выпрямители (игнитроны) тоже не подарок.

2. Аккумуляторы заряжаются постоянным током. Никакого геморроя с выпрямителями.

3. Простое согласование потребителей постоянного тока. В переменном токе есть такой параметр, как «косинус фи» (power factor — PF). Он определяет согласованность между активной и реактивной мощностью, то есть между фазами тока и напряжения. Если у вас мощная нагрузка в сети переменного тока (например, станочный парк в цехе), то она при некоторых условиях может вызвать рассогласованность в фазах. А это ведет к проблемам на генераторах переменного тока, ну и в нашей стране за такое рассогласование просто штрафуют.

У постоянного тока такое может возникать разве только при переходных процессах и во внимание не берется.

4. Самые простые вольтметры и амперметры — магнитоэлектрические, но они не в состоянии измерить параметры в сетях переменного тока. Поэтому приходится использовать другие схемы, часто не такие точные и надежные. Когда изобрели переменный ток, то его измерение было большой проблемой. Скорее всего приборы для переменного тока и для попаданца окажутся головной болью. И не надо забывать, что главным прибором, запущенным в массовое производство, будет не вольтметр (потребность в которых единицы экземпляров), а электрический счетчик. Без счетчика никакой продажи электроэнергии не будет.

5. Расчет электродвигателя постоянного тока со щетками очень прост. Скорость вращение регулируется просто напряжением без всяких проблем, главное чтобы в разнос не пошел.

6. Линии электропередач на постоянном токе очень перспективны, они позволяют передавать электричество на большие расстояния с минимальными потерями. Однако, тут есть своя ложка дегтя — напряжения должны быть очень высокими, польза будет от ЛЭП постоянного тока напряжением в 500 киловольт и выше. А так как и генераторы и потребители сейчас все используют переменный ток, то такие линии оказываются задачей очень сложной. Как вам выпрямитель на пол-миллиона вольт? А если он тиристорный, да на 800 киловольт, да на мощность 8 ГВт? Это же просто эпическое устройство!

Естественно, таких линий на нашей планете мало, можно пересчитать на пальцах. И хотя этим преимуществом постоянного тока попаданец воспользоваться не сможет, это все равно преимущество.

7. В некоторых случаях — метро или трамвай, можно ограничиться одним силовым проводом. Вторым проводом являются рельсы, на которых нет напряжения, это просто «земля», безопасная для пользователя. В случае с переменным током такой финт не проходит.

ПЛЮСЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

1. На короткие дистанции переменный ток передавать проще. Много-много проще и с куда меньшими потерями.

Именно этим в основном, и определяется то, что пользователи ушли от постоянного тока Эдисона. Эдисон раздавал 110В, но у него не получалось раздать дальше, чем 2.6 км от электростанции. С переменным током это решается просто — понижающими подстанциями, но на постоянный ток трансформатор не поставить, а вводить в квартиру вольт 600 может оказаться опаснее гильотины на кухне.

2. Генератор переменного тока конструктивно проще. Если правильно подойти, его несложно сделать бесколлекторным и асинхронным с самовозбуждением, когда не нужны щетки и постоянные магниты (а мощный магнит — больное место в древности). Особенно хорошо получаются трехфазные генераторы. Собственно, я даже не знаю, существуют ли сейчас генераторы со щетками и постоянными магнитами.

3. Соответственно, и электродвигатели проще. Классический асинхронный электродвигатель не имеет щеток и магнитов. Сейчас еще очень много электродвигателей с коллекторами — но это потому, что щетки сейчас сделать несложно, для них применяется специальный сплав с графитом. Я очень сомневаюсь, что это так же легко сделать в древности. Сейчас существуют коллекторные двигатели, которые схемотехнически переключаются между постоянным и переменным током, но я не знаю, какому току записать это в плюс.

4. Обороты электродвигателей переменного тока привязаны к частоте. Изменением напряжения можно изменять обороты только у маломощных двигателей, да и то в узких пределах (за счет скольжения магнитного поля), но при этом двигатель начинает греться. Чтобы изменить количество оборотов, нужно менять частоту переменного тока. Из-за такой конструкции расчет асинхронного двигателя — то еще развлечение. Но для многих применений стабильность оборотов — это благо, это может оказаться ценнее всех остальных свойств.

5. Имея переменный ток, очень просто поучить из него требуемое напряжение — как повышенное, так и пониженное с помощью простейшего трансфрматора. В сетях постоянного тока понижение напряжения связано с потерями, а повышение… гм, я даже не знаю, как простыми методами, годными для древности, повысить постоянное напряжение.

Скажу больше — это просто катастрофический недостаток для постоянного тока. Именно это тормозило развитие сети постоянного тока больше, чем что-либо еще (про подстанции я уже писал).

6. С точки зрения пользователя, у переменного тока нет полярности. Конечно, кое-какая разница между проводами есть, но не для пользователя. Для него подключение электроаппаратуры выглядит очень простым. Да и для электрика тоже.

Итак.

Какой тут может быть вывод?

ИМХО, если у попаданца основной задачей является гальваника (а это вполне может случиться) и электростанция рядом с производственными помещениями, то его выбор — постоянный ток. Лампам накаливания все равно чем питаться, а если и понадобиться электродвигатель — то маломощный можно будет сделать для постоянного тока.

Однако, если попаданец решит ввести искусственное освещение в городе, то это без вариантов переменный ток со всей инфраструктурой — понижающими подстанциями, электрическими счетчиками и прочим.

P.S. Я, скорее всего, что-то упустил. Просьба дополнять.