Warum verwenden wir Wechselstrom für die Übertragung über große Entfernungen?

Der erste Punkt ist: Wir verwenden nicht immer AC. Es gibt so etwas wie Hochspannungsgleichstrom für die Energieübertragung über große Entfernungen. Seine Verwendung war jedoch bis in die letzten Jahrzehnte selten, als relativ effiziente DC-zu-AC-Umwandlungstechniken entwickelt wurden.

Der zweite Punkt ist, die häufig gegebene Antwort zu entlarven, nämlich "weil DC keine langen Strecken zurücklegen wird". Sicher wird es. Tatsächlich ist Gleichstrom manchmal besser für große Entfernungen (weil Sie keine kapazitiven oder EM-Strahlungsverluste haben).

Aber ja, AC wurde traditionell verwendet. Das „Warum“ ist auf eine Reihe von „a führt zu b führt zu c führt zu …“ zurückzuführen:

1. Sie möchten in Ihren Übertragungsleitungen so wenig Leistung wie möglich verlieren. Und wenn alles andere gleich ist, je länger die Distanz, desto mehr Leistung verlierst du. Je größer also die Distanz, desto wichtiger ist es, die Leitungsverluste auf ein Minimum zu reduzieren.

2. Der primäre Weg, auf dem Stromleitungen an Leistung verlieren, sind Widerstandsverluste. Sie sind keine perfekten Leiter (ihr Widerstand ist ungleich Null), daher geht ein wenig der durch sie fließenden Energie an Wärme verloren - genau wie bei einer elektrischen Heizung, nur dass dort natürlich Wärme erwünscht ist! Je mehr Leistung transportiert wird, desto mehr geht verloren. Für eine gegebene übertragene Energiemenge ist der Widerstandsverlust in der Übertragungsleitung proportional zum Quadratder Strömung! (Dies liegt daran, dass die in einem Widerstand dissipierte Leistung (in Watt) gleich dem Strom in Ampere ist, quadriert, multipliziert mit dem Widerstand in Ohm. Diese Verluste werden allgemein als "I-Quadrat-R"-Verluste bezeichnet, ausgesprochen "Eye-Quadrat-Arr." ", "I" ist das übliche Symbol für Strom bei Elektroarbeiten.) Sie möchten also den Strom so niedrig wie möglich halten. Niedriger Strom hat einen weiteren Vorteil: Sie können dünnere Drähte verwenden.

3. Wenn Sie also den Strom niedrig halten, möchten Sie bei gleicher gelieferter Leistung eine hohe Spannung (Leistung in Watt = EMF in Volt multipliziert mit Strom in Ampere). zB um den Strom zu halbieren, müssen Sie Ihre Spannung verdoppeln. Aber das wird Ihre Verluste auf ein Viertel dessen reduzieren, was sie waren! Das ist ein Gewinn. Jetzt hat die Hochspannung ihre Probleme. Je höher die Spannung, desto schwieriger ist der Schutz vor versehentlichem Berühren, Kurzschluss usw. Dies bedeutet höhere Türme, größere Abstände zwischen den Leitern usw. Sie können also nicht überall die höchstmögliche Spannung verwenden. es ist nicht wirtschaftlich. Aber im Allgemeinen gilt: Je länger die Übertragungsleitung, desto höher ist die sinnvolle Spannung.

4. Leider können Sie den Endverbraucher (Wandsteckdosen und Lichtsteckdosen) nicht mit den hohen Spannungen versorgen, die für Fernübertragungsleitungen sinnvoll sind. (Das könnten mehrere hunderttausend Volt sein!) Praktische Generatoren können auch keine extrem hohen Spannungen abgeben (sie würden fürchterliche Lichtbögen erzeugen). Sie brauchen also eine einfache Möglichkeit, von einer Spannung in eine andere umzuwandeln.

5. Und das geht am einfachsten mit Wechselstrom und Trafos. Transformatoren können erstaunlich effizient sein: Stromverteilungstransformatoren erreichen routinemäßig einen Wirkungsgrad von 98 oder 99 Prozent, weit mehr als jede mechanische Maschine.

Im Gegensatz dazu müssen Sie zum Umwandeln von Gleichspannungen im Wesentlichen in Wechselstrom umwandeln, einen Transformator verwenden und dann wieder in Gleichstrom umwandeln. Insbesondere der DC-zu-AC-Schritt wird Verluste aufweisen. Moderne Halbleiter haben dies in den letzten Jahren viel besser gemacht, aber es lohnt sich im Allgemeinen immer noch nicht, bis Sie über sehr lange Übertragungsleitungen sprechen, bei denen die Vorteile von Gleichstrom die Umwandlungsverluste überwiegen.

Ein weiterer Grund, warum sich Wechselstrom gegenüber Edisons Gleichstrom durchsetzte, war, dass das Wechselstromsystem besser skaliert werden konnte, da es eine kleine Anzahl von Kraftwerken weit entfernt von der Stadt zuließ, anstatt einer großen Anzahl kleiner Kraftwerke, die etwa eine Meile voneinander entfernt waren. Edison wollte nicht nur Glühbirnen verkaufen; er (oder besser gesagt seine Investoren) wollte Beleuchtungssysteme an Unternehmen verkaufen. Es gab kein Stromverteilungsnetz und er wollte keins bauen müssen, bevor er Glühbirnen verkaufte. Zuerst verkaufte er Beleuchtungssysteme an gewerbliche Gebäude, vielleicht einige große Wohnhäuser; Jedes Gebäude hätte seinen eigenen unabhängigen Generator im Keller, so wie Sie heute normalerweise Warmwasserbereiter haben. Er war zunächst erfolgreich, weil er (anders als andere Entwickler von Glühlampen) komplette Systeme verkaufte und installierte, Generator und Schaltanlagen und Verkabelung und alles,

Dies hätte viel von dem Kabelsalat in den Städten gespart, aber es war klar, dass dies nicht gut für kleine Unternehmen oder Haushalte funktionieren würde (welcher Hausbesitzer oder Ladenbesitzer möchte sich Sorgen machen, einen Generator am Laufen zu halten?). Westinghouse wollte an den Niagarafällen ein Wasserkraftwerk bauen – ein Kraftwerk, das ganz New York City und darüber hinaus betreiben sollte. Tesla entwarf ein komplettes AC-Verteilungssystem mit AC-Induktionsgeneratoren, Aufwärtstransformatoren, um ihre Leistung bei Bedarf für große Entfernungen zu erhöhen, dann durch eine Reihe von Abwärtswandlern auf die sogenannte "Verteilungsspannung" und schließlich auf die Leitungen umzuwandeln die mit Häusern und leichten Geschäftsgebäuden verbunden sind. Dies war ein weitaus skalierbareres System als das von Edison. Und natürlich funktioniert Wechselstrom sowohl für Glühbirnen als auch für Motoren.

Apropos ... Ein weiterer Grund für die Bevorzugung von Wechselstrom ist, dass Wechselstrom und insbesondere der dreiphasige Wechselstrom, den das System von Westinghouse verwendete (überall außer am letzten Tropfen, vom Mastverteilungstransformator bis zum Haus), viel besser zum Laufen war und bleibt Hochleistungsmotoren. Alle praktischen Motoren sind im Grunde wirklich Wechselstrommotoren; "DC"-Motoren verwenden Kommutatoren, um die Polarität der Spulen nach Bedarf hin und her zu schalten, um die Rotation aufrechtzuerhalten - im Wesentlichen erzeugen sie intern ihren eigenen Wechselstrom. Kommutatoren benötigen jedoch Bürsten, die sich abnutzen und gewartet werden müssen; sie machen Funken (die den Funk stören) usw. Wohingegen ein Wechselstrom-Induktionsmotor weder Kommutator noch Schleifringe benötigt. Wechselstromübertragungssysteme beginnen mit Drehstromgeneratoren und bleiben bis zum Poltransformator dreiphasig.

Die Dreiphasen-Wechselstromverteilung hat einen weiteren Vorteil, da kein dedizierter „Rückleitungsdraht“ benötigt wird. (Nur zur Information, das System, das Tesla ursprünglich für Westinghouse entworfen hatte, war zweiphasig. Sie wurden nach der Arbeit von Mikhail Dolivo-Dobrovolsky in den Jahren 1888-1891 auf dreiphasig umgestellt.)

Während des "Krieges der Strömungen" machte Edison viel von der größeren Gefahr von AC. Es ist wahr, dass eine bestimmte Stromstärke auf einem bestimmten Weg durch den Körper bei Wechselstrom gefährlicher ist als bei Gleichstrom. Das liegt daran, dass Wechselstrom bei Netzfrequenzen unwillkürliche Muskelkontraktionen – Lähmungen – und Herzflimmern bei weitaus niedrigerem Strom als Gleichstrom (etwa ein Zehntel) verursacht. (Siehe allaboutcircuits.com) Die Endbenutzeranschlüsse wurden jedoch entwickelt, um das Kontaktrisiko mit stromführenden Teilen zu minimieren, und wir verbessern sie in dieser Hinsicht ständig.

(Nebenbei: Ich bin seit langem der Meinung, dass der elektrische Transformator neben dem Hebel, der schiefen Ebene, dem Flaschenzug usw. als eine der Grundmaschinen angesehen werden sollte. Sie haben die gleiche Eigenschaft, eine Sache gegen eine andere einzutauschen. Bei den mechanischen Grundmaschinen ist es Leistung gegen Weg, bei äquivalenter Arbeit, beim Trafo Spannung gegen Strom, bei äquivalenter Leistung Auch Hydraulikzylinder-Master-Slave-Paare sollten in der Liste der „einfachen Maschinen“ stehen . ;) )

Der Grund, warum wir Wechselstrom verwenden, ist, dass die Wechselspannung einfach mit einem Transformator geändert werden kann. Um die Gleichspannung zu ändern, sind komplexe und ineffiziente Schaltungen erforderlich.

Angenommen, Sie senden etwas Strom$P$vom Kraftwerk bis zum Endverbraucher. Die Stromleitungen haben einen gewissen Widerstand$R$Sie geben also einen Teil der ursprünglichen Leistung als Wärme ab. Insbesondere ist die Verlustleistung gegeben durch:

wo$I$ist der Strom, der durch Ihre Stromleitungen fließt. Wenn unsere Versorgungsspannung ist$V$dann stehen Leistung, Spannung und Strom in Beziehung zu:

Und wenn wir dies verwenden, um zu ersetzen$I$in der Verlustleistungsgleichung erhalten wir:

Das wichtigste Ergebnis ist:

Also, wenn wir die Versorgungsspannung erhöhen$V$Wir verringern die verlorene Leistung. Aus diesem Grund verwenden die Stromübertragungsleitungen sehr hohe Spannungen. Der vom Kraftwerk erzeugte Strom wird durch einen Transformator geleitet, um seine Spannung auf die zu erhöhen$100,000$V oder so in den Übertragungsleitungen verwendet . Wenn es dann Ihre Stadt erreicht, wird der Strom durch mehrere weitere Transformatoren geleitet, um ihn auf die Haushaltsspannung zu reduzieren.

Das Ändern der Spannung auf diese Weise funktioniert jedoch nur für Wechselstrom, da Transformatoren für Gleichstrom nicht funktionieren. Und deshalb ist Netzstrom Wechselstrom.

Dies (von einer jetzt gelöschten Seite) verdeutlicht, wie Gleichstromübertragungsleitungen für die Massenstromübertragung verwendet werden:

Übertragungsoptionen

Strom kann entweder mit Wechselstrom (AC) oder Gleichstrom (DC) übertragen werden. Alle modernen Stromversorgungssysteme verwenden Wechselstrom, um Strom zu erzeugen und über Übertragungsleitungen an Kunden zu liefern und dann über Verteilungsleitungen dorthin zu gelangen, wo er benötigt wird. Es gibt jetzt die Technologie, Gleichstrom für die Massenstromübertragung zu verwenden.

Wechselstrom wird zur Übertragung in Gleichstrom umgewandelt und dann zur Verteilung an Kunden im Wechselstromnetz wieder in Wechselstrom umgewandelt. Eine Konverterstation an jedem Ende der Leitung ist erforderlich, um Strom von Wechselstrom in Gleichstrom und zurück umzuwandeln, damit wir den Strom in unseren Häusern, landwirtschaftlichen Betrieben und Unternehmen nutzen können.

Für die Nutzung durch die Öffentlichkeit muss DC also auf AC zurückgehen. Die Vorteile von DC sind eine bessere Energieeffizienz auf langen Strecken und weniger Landverbrauch, wie im Link gezeigt.

Ähnliche Aussagen finden Sie hier.

Aus dem Scientific American

Ende des 19. Jahrhunderts kämpften zwei konkurrierende Elektrizitätssysteme um die Vorherrschaft in der Stromversorgung in den Vereinigten Staaten und in weiten Teilen der industrialisierten Welt. Wechselstrom (AC) und Gleichstrom (DC) wurden beide verwendet, um Geräte wie Motoren und Glühbirnen mit Strom zu versorgen, aber sie waren nicht austauschbar.

Ein Kampf um das Grid entstand aus Apple und Microsoft des Goldenen Zeitalters. Thomas Edison, der viele Gleichstromgeräte erfand, entwickelte die ersten Stromübertragungssysteme nach diesem Standard. In der Zwischenzeit wurde Wechselstrom von George Westinghouse und mehreren europäischen Unternehmen vorangetrieben, die die Erfindungen von Nikola Tesla nutzten, um den Strom auf höhere Spannungen zu erhöhen, wodurch es einfacher wurde, Strom über große Entfernungen mit dünneren und billigeren Drähten zu übertragen.

Die Rivalität war voller Bitterkeit und Werbegags – wie Edison einen Elefanten mit einem Stromschlag tötete, um zu zeigen, dass AC gefährlich war – aber AC setzte sich schließlich als Standard für die Übertragung durch und regierte mehr als ein Jahrhundert lang.

Jetzt kommt die EMerge Alliance, ein Konsortium aus Agenturen und Industriegruppen, das glaubt, dass DC ein Comeback feiern wird. Bei so vielen tragbaren elektronischen Geräten und großen Stromverbrauchern wie Rechenzentren, die mit Gleichstrom betrieben werden, kann die Technologie eine wachsende Nische füllen und gleichzeitig den Energieverbrauch senken.

Es lohnt sich, den Artikel zu lesen.

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