В большинстве промышленно развитых стран электроэнергетика основана на переменном токе. Используется трехфазная система с частотой тока 50Гц (СНГ, зап. Европа) или 60Гц (США).

Род тока был выбран не случайно, потому что переменный ток имеет множество преимуществ для электрификации страны по сравнению с постоянным:

1) возможность преобразования напряжения таким простым, надежным и эффективным устройством, как трансформатор. В энергосистеме возникает объективная необходимость использовать различные уровни напряжений. Например, для передачи энергии на большие расстояния, с целью уменьшения потерь, предпочтительно высокое напряжение порядка 100кВ, в то время как у бытовых потребителей напряжение 220В, у троллейбусов, метро и трамваев - 600В, железной дороги - 3-25кВ, у генераторов на электростанциях - порядка 6кВ.

2) Использование трансформаторов в электроприборах служит также цели защиты от поражения электротоком - гальваническая развязка с сетью.

3) напрямую к трехфазной системе можно подключать асинхронные двигатели переменного тока, которые характеризуются простотой конструкции, отсутствием щеток и высоким кпд.

4) "длинные" люминесцентные лампы могут работать только от переменного тока, и 220В/50Гц им очень хорошо подходит.

Наряду с этим переменный ток имеет и недостатки, которые, однако, не могли до недавних пор превысить его преимущества, а именно:

1) переменный ток более опасен для жизни. Так, для частот 50 и 60Гц опасным для жизни считается напряжение 40В, тогда как для постоянного тока опасное для жизни напряжение составляет 100В.

2) необходимость синхронизации всех генераторов в энергосистеме. Иначе они будут генерировать напряжение в противофазе и взаимно подавлять друг друга. Эта проблема была успешно решена в масштабах даже крупнее стран. Cинхронизированы все электростанции, входящие в Единую Энергосистему России, а также стран СНГ, в том числе Прибалтики. Существует также единая энергосистема западной Европы. Вероятно, существуют аналогичные крупные системы в Америке и других континентах. Чем крупнее энергосистема - тем более эффективно она функционирует, позволяя динамически перераспределять нагрузки между генераторами и потребителями.

3) несмотря на решение проблемы 2), передача электроэнергии между энергосистемами крайне затруднена из-за того, что они не синхронизированы друг с другом. Между ЕЭС России и Европы существуют связки по постоянному току, но их мощность очень мала. Был период времени, когда в Литве, благодаря ИАЭС, был переизбыток электроэнергии. Так вот, Литва не могла продавать эту энергию в западную Европу из-за несвязанности энергосистем.

4) потери энергии из-за реактивных нагрузок в сети. Проблемы эти решаются путем усложнения оборудования. Например, на промышленных предприятиях устанавливаются крупногабаритные батареи конденсаторов, для компенсации фазовых сдвигов, вносимых электродвигателями, работающими не в полную нагрузку. Бытовые потребители обычно не имеют средств компенсации реактивных нагрузок и потому способствуют излишним потерям энергии в системе.

5) потери энергии из-за индукции паразитных токов, посредством магнитного поля. Грубо говоря, пространственные конфигурации проводов и других объектов создают нежелательные трансформаторы, которые высасывают энергию из сети и рассеивают ее в тепло или хуже того, приводят к порче имущества из-за протекания паразитных токов.

6) потери энергии при работе простых выпрямителей. Выпрямители, которые используются в большинстве современного электронного оборудования, расходуют электричество короткими импульсами, а не равномерно, как, например, лампы. Потребление тока короткими импульсами, по сравнению с непрерывным потреблением, приводит к большему разогреву проводов и тепловым потерям в сети. В некоторых приборах эта проблема решается путем усложнения схемы и ценой ее удорожания.

7) создание помехи частотой 50 или 60Гц при работе чувствительных приборов и схем.

Короче говоря, недостатков много, но все они перевешиваются даже не всеми, а всего лишь одним преимуществом переменного тока: существованием трансформаторов. Для сравнения, преобразователь постоянного тока, используемый в советских электричках серий ЭР1, ЭР2 представляет собой электродвигатель, соединенный с генератором! Именно таким сложным и неэффективным (потери на трение, шум, вибрация, износ) образом до недавних пор можно было преобразовывать постоянный ток.

Отдельно можно говорить о выбранной частоте (50/60Гц). Она не является идеальной для всех случаев, а является компромиссом, при котором может работать большинство потребителей и генераторов электроэнергии. Так, например, в Германии на железной дороге используется пониженная частота тока (12,5Гц или 16Гц - точно не помню). Из-за этого железная дорога вынуждена иметь свою, отделенную от общегосударственной, энергосистему, включающую электростанции, подстанции и т.д.

Конец эры переменного тока был ознаменован тем, что зарядки для мобильников неожиданно стали гораздо меньше по габаритам и массе.

Что же произошло?

Развитие полупроводниковых технологий и микросхем явило на свет импульсные преобразователи напряжения постоянного тока. Это компактные и дешевые схемы с высоким кпд, которые сейчас можно встретить почти в любом электронном приборе. Импульсный преобразователь по своей массе, габаритам и кпд оказался эффективнее трансформатора! Вспомните, как грелись китайские блоки питания и зарядки для мобилок, и насколько меньше они греются сейчас.

Строго говоря, импульсный преобразователь в некотором роде переводит сначала постоянный ток в переменный, преобразует напряжение с помощью трансформатора или катушки индуктивности (то есть по тому же принципу, что и просто трансформатор), а потом обратно выпрямляет переменный ток в постоянный. Чем же это лучше, чем просто трансформатор? А лучше тем, что параметры переменного тока, который используется в качестве промежуточного, подобраны так, чтобы обеспечить максимальную эффективность трансформатора. При использовании частот 25-50кГц и выше, требуются существенно более малогабаритные трансформаторы. В них используется меньше меди. А медь - довольно дорогой металл, так что экономия достигается существенная. Собственно, из-за экономии меди обычные (трансформаторные) блоки питания и грелись. Параметры трансформаторов в них не обеспечивали максимальный кпд, но обеспечивали экономию металла. Вот так.

Импульсные преобразователи появились уже давно. Еще в 80х годах они уже использовались в компьютерах и другом оборудовании. Но тогда еще эта технология была недостаточно отработана. Из-за высокой сложности схемы были ненадежными, часто отказывали с бурными фейерверками. По тем же причинам - плохая ремонтопригодность. Сложность в разработке и отсутствие типовых схемных решений требовала высокой квалификации инженеров. И только недавно все эти проблемы были решены в такой степени, чтобы создать предпосылки для революции в энергетике. Выпускаются микросхемы (собственно, одну из них, MC34063, я описывал в своем блоге), которые берут большую часть задач на себя. Разработаны методики расчета и компьютерные программы, облегчающие жизнь инженера. Повысилась надежность выпускаемых микросхем, транзисторов и прочих радиоэлементов, наработана статистика отказов, в соответствии с ней выработаны меры защиты схем.

Итак, первое преимущество переменного тока над постоянным - существование трансформаторов - было ликвидировано появлением импульсных преобразователей. Я не уверен, что существуют импульсные преобразователи высокой мощности, такой как трасформаторы на АЭС, но не исключаю принципиальную возможность их создать.

Что касается второй функции трансформаторов - гальваническая развязка с целью защиты от поражения электротоком - то она успешно исполняется малогабаритными трансформаторами, которые являются частью импульсных преобразователей. Иначе такие зарядки для мобилок просто не выпустили бы на рынок - запрещено нормами безопасности.

Наступление на третье преимущество переменного тока - трехфазные асинхронные электродвигатели - ведется с другого направления. Этот двигатель, на самом деле, имеет свои недостатки, такие как необходимость использования трехфазного тока, сложность регулирования скорости вращения. Появились бесколлекторные двигатели постоянного тока. Они требуют сложных электронных схем для управления, а также полупроводниковых ключей, которые в сущности тоже преобразуют постоянный ток в переменный. Все это стало возможным благодаря развитию электроники. Самым прогрессивным двигателем для мощных машин, таких как поезда метро, трамваи и т.д., сейчас считается все тот же асинхронный двигатель, но с электронными схемами управления и импульсным преобразованием напряжения. В таких схемах даже используются высокопроизводительные 16-битные микроконтроллеры - все ради того, чтобы крутить один мотор! Исходным же источником энергии для такой системы, предпочтительно, является все тот же постоянный ток. Проблемы, связанные со сложностью и надежностью электронных схем, в этой области тоже успешно решаются. Так что и это преимущество переменного тока на сегодняшний день отпало. Более того, благодаря полупроводниковым схемам управления и преобразования напряжения, стало возможным реализовать рекуперативное торможение подвижного состава на асинхронных двигателях. С возвратом энергии в энергосистему.

И последнее, четвертое преимущество, касательно ламп. Тут тоже все предельно просто. В настоящее время широко распространены компактные люминесцентные лампы-"змейки". Так вот, в них установлен электронный преобразователь напряжения и частоты. Используются частоты 25кГц и выше. Это позволяет сделать более компактный, чем у традиционных длинных ламп, блок управления и защиты, а также устранить мерцание этих ламп, являвшееся долгое время предметом обсуждения специалистов по охране труда и профессиональным заболеваниям.

Поэтому, благодаря развитию электроники, на сегодняшний день, переменный ток в электросетях не имеет больше преимуществ по сравнению с постоянным. К перечисленным его недостаткам можно добавить и то, что для вышеописанных "прогрессивных" электронных схем преобразования напряжения, является неудобным поступление исходной энергии в виде переменного тока. Это ведет к усложнению и удорожанию таких схем, либо понижению их эффективности.

Сохранение существующего статус-кво поддерживается наличием огромного количества электрооборудования, рассчитанного на переменный ток. Невозможно мгновенно заменить такой парк техники. Так что я думаю, что переход к электрификации на постоянном токе будет проходить очень постепенно.

Привожу еще преимущества электрификации на постоянном токе с использованием современных полупроводниковых преобразователей напряжения:

1) уменьшение габаритов оборудования электроподстанций
2) уменьшение габаритов ЛЭП всех типов. В существующих ЛЭП необходимо использование трех проводов (три фазы), причем между ними требуется достаточный воздушный промежуток, чтобы не пробило. Для ЛЭП на постоянном токе той же мощности потребуется два провода с меньшим расстоянием изоляции, т.к. переменный ток имеет пиковое напряжение в 1.4 раза выше, чем среднеквадратичное
3) упрощение конструкции всех потребителей электроэнергии (отсутствие необходимости в выпрямителях и схемах Power factor correction)
4) упрощение электропроводки, в том числе в домах
5) отсутствие уязвимости энергосистем, связанных с синхронизацией; облегчение передачи энергии между странами