Stromnetz basierend auf in Reihe geschalteten Geräten mit konstanten Strömen, nicht parallel geschalteten Geräten mit konstanten Spannungen

Alles in allem wäre dies aus mehreren Gründen ein absoluter logistischer Alptraum. Wenn mir weitere einfallen, werde ich sie hinzufügen, aber spontan fällt mir Folgendes ein:

1) Da jedes einzelne Gerät im Netz in einer einzigen Schleife angeschlossen ist, wäre die Entfernung des Leiters, durch den Strom fließt, extrem lang. Dies bedeutet eine ganze Menge Energieverschwendung durch Widerstandsverluste.

2) Wenn Sie die Maxwell-Gleichungen durchgehen, stellen Sie fest, dass die Spannung an den Anschlüssen eines Generators davon abhängt, wie schnell er gedreht wird. Um einen konstanten Strom aufrechtzuerhalten, müsste die Drehzahl des Generators je nach Last geändert werden, was wiederum ein praktischer Albtraum ist, da es viel einfacher ist, den Generator so zu konstruieren, dass er mit einer stabilen Frequenz arbeitet. Ebenso arbeiten Sonnenkollektoren mit einer festen Spannung, wie dies bei den meisten Mitteln zur Stromerzeugung der Fall ist. Wenn Sie einen Elektronikkurs belegen, werden Sie feststellen, dass Stromquellen wirklich ziemlich schwierig zu implementieren sind und sich (zumindest meines Wissens) letztendlich auf eine Spannungsquelle verlassen, die einen bekannten Strom treibt, der dann mithilfe von Halbleitermagie gespiegelt wird. Lange Rede kurzer Sinn: Spannungsquellen sind einfach, Stromquellen sind schwer.

3) Es ist einfacher, mit einer gemeinsamen Spannung zu arbeiten als mit einem gemeinsamen Strom, da es so viele Schwankungen im Strom gibt, die von verschiedenen elektrischen Geräten benötigt werden. Theoretisch könnte man das umgehen, indem man in jedes Gerät Trafos einbaut, aber das wäre wahnsinnig sperrig, kostspielig und in manchen Fällen einfach unpraktisch, da die Wicklungsverhältnisse so gigantisch sein müssten.

4) Viele elektrische Geräte, insbesondere Elektronik, benötigen Gleichstrom statt Wechselstrom. Aber da alle Geräte in Reihe geschaltet sind, können wir den Wechselstrom nicht für ein Gerät gleichrichten, ohne dies für alle Geräte in der Reihe zu tun. Also brauchen wir entweder keine DC-Geräte oder wir müssen einen Wechselrichter nach dem DC-Gerät einfügen, was wiederum viele unnötige Kosten und Ineffizienzen hinzufügt.

5) Ihre Form des Schaltungsschutzes beruht im Wesentlichen darauf, Schalter zu schließen, wenn eine Spannung zu hoch wird. Das Problem ist, dass der Bau von Hochspannungsschaltern viel schwieriger ist als von Niederspannungsschaltern, da Sie sich Sorgen machen müssen, dass Lichtbögen die Kontakte abnutzen. Für ein typisches Haus haben Sie möglicherweise einen Spannungsabfall von ein paar tausend Volt (was, wie Samuel betonte, ein enormes Sicherheitsrisiko darstellt), sodass Ihr Überspannungsschutz bereits ziemlich robust und teuer sein müsste. Um größere Teile des Netzes zu schützen, könnten die Spannungsanforderungen leicht in den Bereich der funktionalen Unmöglichkeit übergehen.

6) Siehe Samuels großartige Antwort zu den absurden Anforderungen an die Versorgungsspannung.

7) Nicht zu sehr auf die Schaltungsfolger zu harfen, da ich denke, dass sie eine coole Idee sind, aber ich bin mir auch ziemlich sicher, dass sie nicht schnell genug schließen könnten, um nützlich zu sein. Sie sagten in den Kommentaren, dass die Spannungsanstiegszeit durch eine große Kapazität des Systems gemildert wird, aber ich glaube nicht, dass dies der Fall ist:

Reaktanzen anderer Lasten in Reihe sollten keine Rolle spielen, wenn Ihre Stromquelle wirklich eine Stromquelle ist, da sie unabhängig davon einen konstanten Strom durch sie drückt. Wenn er sich erheblich von einer echten Stromquelle unterscheidet, führt dies zu Problemen, da Ihr Standardstrom immer schwankt, da im Netz vorübergehend Unterbrechungen entstehen.

Die Shunt-Kapazität (dh zwischen Übertragungsdrähten gebildete inhärente Kapazitäten) würde meines Wissens auch den Spannungsanstieg nicht begrenzen. Um zu sehen, warum, werfen Sie einen Blick auf die Gleichungen des Telegraphers für Übertragungsleitungen:

Nun stellen wir uns eine Übertragungsleitung vor, bei der zum Zeitpunkt t ein offener Stromkreis von x nach x+l entsteht. Aus der zweiten Gleichung$\frac{\partial V(x+l,t)}{\partial t}$beliebig groß sein, was darauf hindeutet, dass sich der Spannungsabfall sehr schnell aufbauen würde. Um zu sehen, warum, beachten Sie, dass der Strom bei x + l ziemlich sofort von einer großen Zahl auf Null abfallen sollte, da Sie sonst einen Lichtbogen über dem offenen Stromkreis haben würden, was eine schlechte Sache ist. Aber aufgrund der endlichen Ausbreitungsgeschwindigkeit von Stromwellen, die Sie sehen, wenn Sie diese Gleichungen für einfachere Randbedingungen lösen, wird der Strom direkt nach x + l zum Zeitpunkt t immer noch ungleich Null sein. Damit,$\frac{\partial I(x+l,t)}{\partial x}$wird unglaublich groß sein, und wenn Sie es durch das bereits kleine C teilen (was normalerweise in der Größenordnung von$10^{-12} F/m$), du wirst sehen$\frac{\partial V(x+l,t)}{\partial t}$kann beliebig groß gemacht werden. Die Shunt-Kapazität hilft Ihnen also auch nicht, den Spannungsanstieg über den offenen Stromkreis abzuschwächen.

Die einzige Kapazität, die uns bleibt, ist also die winzige Serienkapazität, die durch die Unterbrechung der Leitung selbst gebildet wird und in der Größenordnung von Picofarad liegen würde. Wenn die Stromquelle mehrere zehn Ampere antreibt, würde es nur Nanosekunden dauern, bis sich die Spannung auf Tausende von Volt aufgebaut hat. Es gibt keinen Schalter auf der Welt, der schnell genug ist, um sich zu schließen, bevor Ihre durchgebrannte Glühbirne zu einem improvisierten Lichtbogenofen wird.

Zu Ihrer Frage, ob Elektronik mit Konstantstrom funktionieren würde: Kommt darauf an, aber höchstwahrscheinlich nein, zumindest mit bekanntem Logikdesign. Sehen Sie, das meiste Logikdesign hängt von der Annahme ab, dass Sie eine Schiene mit hoher Spannung und eine Schiene mit niedriger Spannung mit vielen Transistoren und so weiter dazwischen haben. Sie könnten vielleicht einen Weg finden, Logik mit konstantem Strom zu implementieren, aber es wäre für jeden unserer Elektroingenieure, der sich damit befasst, ziemlich fremd (ich vermute, es würde stromgesteuerte BJTs im Gegensatz zu den häufigeren spannungsgesteuerten verwenden). MOSFETs, die in der modernen Elektronik verwendet werden). Um Punkt 3 oben zu betonen, liegen Ströme in integrierten Schaltkreisen oft im Bereich von Picoampere, es sei denn, Sie versuchen, einen Ofen in Form eines Computers zu entwerfen. Dies ist weit entfernt von den Dutzenden von Verstärkern, die für große, leistungsstarke Geräte benötigt werden.

Es ist unwahrscheinlich, dass Sie genug Spannung erzeugen können.

Jedes Gerät, das Sie in Reihe schalten, ist eine weitere Last. Jede Last verbraucht etwas Leistung, da das Ganze in Reihe geschaltet ist, was bedeutet, dass jede Last einen Spannungsabfall darstellt. Um 120 Ampere durch eine ganze Nation von in Reihe geschalteten Geräten zu treiben, bräuchte man Millionen und Abermillionen von Volt. Bei allen bekannten Materialien würde man schnell die dielektrische Durchschlagsfestigkeit erreichen. Das Stromnetz würde sich über eine Meile Luft erstrecken, anstatt durch all diese Geräte zu gehen.

Sogar zwei Geräte in Ihrem eigenen Haus können gefährlich unterschiedliche Spannungen haben. Ein eingebautes Problem wie nicht geerdeter Wechselstrom, aber ohne einfache Lösung.

Ich vermute, Ihre Annahme der Symmetrien stammt von den Norton / Thévenin-Äquivalenten. Aber diese sind nur auf dem Papier wirklich gleichwertig und auch dann nur in bestimmten Fällen. Wenn Sie tatsächlich eine Norton-Schaltung bauen, wird sie wärmer als ihr Thévenin-Äquivalent, weil ihr Widerstand ständig Energie abgibt.

Dies zeigt das andere Problem, das Sie haben werden. Angenommen, ich habe einen 1200-W-Wäschetrockner und einen 12-W-Kaffeetassenwärmer. Der Trockner fällt bei 120 A um 10 V ab, um seine Nennleistung zu erzeugen. Um sicherzustellen, dass mein Kaffeetassenheizer nicht in Reihe brennt, muss das Widerstandselement 0,0008 Ohm (ja, 800 Mikroohm, etwa 1 Fuß Kupferdraht mit 9 Gauge) haben.

Vielleicht meinst du nur das Ohmsche Gesetz für Symmetrien. Es ist erwähnenswert, dass, nur weil es eine Gleichung gibt, die zwei Phänomene wie Spannung und Strom (unter der Annahme eines festen Widerstands) in Beziehung setzt, sie sehr unterschiedliche Tiere sind. Schon die bloße Beschreibung, was die einzelnen sind, macht das deutlich. Spannung ist die elektrische Potentialdifferenz zwischen zwei Punkten, während Strom eine Ladungsmenge ist, die in einer bestimmten Zeit durch einen Querschnitt eines Volumens fließt. Es gibt keinen Grund zu der Annahme, dass Sie in einem physikalischen System eine Größe gegen die andere austauschen und erwarten können, dass sich nichts ändert.

Kann nicht gemacht werden, sobald Sie eine beträchtliche Anzahl von Geräten angeschlossen haben, und hier bedeutet "erheblich" "sehr niedrig".

Vergessen Sie für den Moment das Gitter und betrachten Sie einfach Ihr Haus. Wenn alle Elektrogeräte, alles im Haus in Reihe geschaltet werden muss, was passiert dann mit all den Lebensmitteln in Ihrem Kühlschrank, wenn jemand vergisst, vor der Arbeit das Licht auszuschalten, und die Glühbirne durchbrennt? Und wenn Sie in einem kälteren Klima leben, ist das auch der Strom für Ihre Heizungsanlage, was im Winter die Möglichkeit eines gefrorenen Hauses, Rohrbruchs und aller anderen Freuden bedeutet.

Wenn Sie jetzt ein wenig nach oben gehen, was passiert, wenn bei Ihrem Nachbarn eine Glühbirne durchbrennt oder jemand ein paar hundert Kilometer entfernt ist? Ich sehe nicht viele Kunden für ein System, bei dem jemand in Chicago großen Schaden an seinem Haus erleiden kann, weil jemand in Detroit eine durchgebrannte Glühbirne hatte.

Und mehr noch: Wie finden Sie heraus, wo das Problem liegt? In dem System, das wir jetzt haben, können Sie, wenn ein Netz ausfällt, beispielsweise aufgrund eines Sturms, Teile davon hochfahren und die Teile, die nicht hochkommen, isolieren, wo die verbleibenden Probleme liegen. Aber wie finden Sie bei einem System aus Tausenden oder Millionen von Geräten heraus, was das einzige ist, das das Stromnetz zusammenbrechen lässt, weil es den Stromkreis unterbrochen hat?

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Eine Frage, die von all dem oben Gesagten getrennt ist, ist, wie entsteht ein solches System überhaupt? Selbst wenn Menschen superschnelle Schalter (in der Größenordnung von Nanosekunden) entwickeln können, wird dies – abgesehen von Alien Space Bats – noch eine ganze Weile nicht passieren, lange nachdem die Menschen parallele und serielle elektrische Systeme herausgefunden und verwendet haben. Ohne diese superschnellen Schalter sind parallele Systeme mit konstanter Spannung aus all den in anderen Antworten angegebenen Gründen so viel einfacher zu handhaben, dass so viel Infrastruktur vorhanden sein wird, dass es keinen Vorteil bringt, zu einem komplizierteren zu wechseln System mit größeren Fehlerquellen, die eine kompliziertere und teurere Verkabelung ohne Nutzen erfordern.

Wird nicht funktionieren ...

Verluste innerhalb eines Leiters sind proportional zu R * I^2.

Daher muss der Leiterquerschnitt, der R bestimmt, unter sonst gleichen Bedingungen (Schmelztemperatur der Isolierung usw.) umgekehrt proportional zu I ^ 2 sein.

Problem Nr. 1: Wenn Ihr Haus einen „120 A“-Stromkreis anstelle von „120 V“ hätte, müssten alle Kabel für 120 A ausgelegt sein, was sie unpraktisch groß und teuer machen würde. Tatsächlich müsste alles dafür ausgelegt sein, sogar die Schalter, das Lampenkabel usw.

Hier (Frankreich) erlaubt die durchschnittliche Wandsteckdose 230 V/16 A (dh 3500 W nominal). Lassen Sie uns also die Drähte auf 16 A und die Konstantstromversorgung auf 16 A belassen.

Wenn das Haus maximal 10 kW zieht, hat es 625 V an seiner Versorgung. Überschaubar.

Es ist jedoch mit den Nachbarhäusern in Reihe geschaltet, es sei denn, das Versorgungsunternehmen stellt für jeden Teilnehmer eine Transformatorwicklung bereit. Da sich die Spannungen addieren, liegt die Verdrahtung möglicherweise bei mehreren kV relativ zur Schutzerde. Deshalb:

Problem Nr. 2: Unsichere Spannungen.

Problem Nr. 3: Dreiphasen-Induktionsmotoren wären ein Problem. Das bedeutet keine Industrie.

Problem Nr. 4: Der Wirkungsgrad für niedrige Lasten wäre katastrophal. Sagen wir ein Handy-Ladegerät, das 5 W = 0,32 V bei 16 A zieht. Die Verluste in der Verkabelung wären im Verhältnis zur gelieferten Leistung nicht mehr unerheblich.

Gibt es einen Ort, an den ich nicht denke, wo diese Symmetrie zusammenbricht, oder Gründe, warum ein Stromnetz nicht so funktionieren könnte?

Ihr Design funktioniert nicht nur, wir verwenden ständig seine Grundlage.

Ich werde hier keinen vollständigen Physikunterricht geben, Sie können das Ganze leicht finden, wenn Sie die Disposition haben. Die Kurzversion davon ist, dass wir die Spannung ändern, um den Strom zu ändern. Sie können nicht voneinander distanzieren, weil V = ri. Invertieren Sie die Spannung und Sie invertieren den Strom und umgekehrt . Die Art und Weise, wie das Gitter verdrahtet ist, ändert daran nichts.

Eine andere Möglichkeit, diese Beziehung zu sehen, besteht darin, sich diese Grafik aus Wikipedia anzusehen :

Beachten Sie, dass Spannung und Strom in allen Fällen durch dieselbe Achse dargestellt werden.

Zu guter Letzt noch eine Kuriosität: Wenn Sie sich ein Etikett mit den Leistungsdaten eines beliebigen Geräts ansehen, sehen Sie eine Frequenz in den Daten, praktisch immer entweder 50 oder 60 Hz. So schnell erwartet das Gerät, dass sich die Spannung ändert, damit es funktioniert.